Photometrisches Stereo ist ein Verfahren zur 3D-Rekonstruktion von Oberflächen. Es basiert auf mehreren Aufnahmen einer Szene, die aus verschiedenen Richtungen beleuchtet wird. Daraus lassen sich für jeden Bildpunkt die Oberflächennormale und das Rückstrahlvermögen berechnen, was eine getrennte Analyse von Topographie und Textureigenschaften ermöglicht. Diese Technik ist besonders nützlich für die Inspektion von anspruchsvollen Oberflächen wie Batteriefolien, Brennstoffzellen-Bipolarplatten oder geprägten und dekorierten Oberflächen. In der Industrie wird das Verfahren trotz der aufwendigeren Bildaufnahme geschätzt, da mehrere Bilder mit höherem Informationsgehalt erzeugt werden, die eine weitergehende Auswertung ermöglichen.
Bisherige Lösungen und deren Nachteile
In den letzten Jahren sind immer leistungsfähigere Photometric Stereo Lösungen auf den Markt gekommen. Systemdesigner können mit entsprechendem Knowhow eigene Systeme erstellen, bei denen drei, vier oder mehr Beleuchtungen durch einen externen oder in der Kamera integrierten Sequencer getriggert werden. Mit den Algorithmen, die mittlerweile in fast allen Standardbibliotheken verfügbar sind, können dann die entsprechenden Bilder berechnet und anschließend klassisch regelbasiert oder mit KI-Ansätzen ausgewertet werden. Für weniger erfahrene Anwender gibt es auch einfach zu bedienende Komplettlösungen. Die meisten dieser Systeme stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn große Flächen, wie z.B. bewegtes Endlosmaterial, lückenlos inspiziert werden sollen. Hier sind Zeilenkameras ideal, oft können jedoch ausschließlich Matrixkameras eingesetzt werden. Die wenigen Systeme, die mit Zeilenkameras arbeiten, benötigen sehr leistungsfähige Zusatzhardware, um die notwendigen Bilddaten lückenlos zu verarbeiten und bieten unzureichende Beleuchtungsstärken. Zudem ist die Integration verfügbarer Systeme erschwert, da z.B. viele Komponenten einzeln verdrahtet und mechanisch fixiert werden müssen, der Bauraum zu klein ist, die Anordnung der Beleuchtungen nicht lückenlos entlang einer Scanlinie möglich ist und die Nutzung standardisierter Softwareschnittstellen vom Anbieter nicht unterstützt wird.
MultiChannel und FPGA-basiertes Photometric Stereo
MSTVision bietet seit Jahren die MultiChannel-Technologie an, die durch zeitliches Multiplexing die Erfassung von bis zu zehn Beleuchtungsanordnungen mit einer oder mehreren Zeilenkameras in nur einer Relativbewegung ermöglicht. Mit der optionalen Erweiterung kann der Photometric Stereo Algorithmus effizient im FPGA des Framegrabbers angewendet werden. So stehen die berechneten Bilder (Albedo, Gradienten in X und Y, mittlere Krümmung) praktisch ohne zusätzliche Latenz und ohne CPU-Belastung direkt zur Verfügung. Sogar eine individuelle Bewegungskompensation für jede einzelne Zeile ist möglich. In Kombination mit sogenannten Oblique Beam-Linienleuchten, d.h. Leuchten, bei denen das Licht in der Ebene seitlich nach links oder rechts geneigt abgestrahlt wird, können Systemintegratoren eigene Lösungen entwickeln. Die meisten Linienlichter kombinieren jedoch normale LEDs mit einfachen Ablenkfolien, um den Abstrahlwinkel zu verändern. Dies führt zu suboptimalen Kontrasten, da die Abstrahlrichtung nur schwach geneigt ist und sich die Lichtkegel aufgrund des großen Öffnungswinkels in der Ebene der Verkippung ungünstig überlagern.
Photometric Stereo Linienleuchte
Da keine am Markt verfügbaren Komponenten alle Anforderungen erfüllen, hat sich MSTVision entschlossen, eine eigene Photometric Stereo Linienleuchte (MST-PSL) zu entwickeln und auf der Vision 2024 als Demonstrator vorzustellen. So erlaubt die gewählte Anordnung seitliche Neigungswinkel von bis zu 60°, wobei 35° einen guten Kompromiss zwischen LED-Packungsdichte und Bildkontrast darstellt. Gleichzeitig ist der seitliche Öffnungswinkel der einzelnen LEDs auf ±10° begrenzt. Zusätzlich wird das Licht durch eine Stablinse in Transportrichtung fokussiert, deren Position für unterschiedliche Arbeitsabstände optimiert werden kann. Mit dem Prototyp konnte bereits eine Bestrahlungsstärke von 2kW/m² bei einem Arbeitsabstand von 100mm problemlos erreicht werden. Durch weitere Optimierungen wie z.B. eine angepasste Kühlung und ein Blitzbetrieb der LEDs, sollen Leistungen von bis zu 3kW/m² erreicht werden.