Kamerasensoren in optischen Messsystemen

Integration aktueller
Kamerasensorik
in optischen Messsystemen
Daniela Schütz & Isabell Zillich
Übersicht
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Digitale Online-Kameras
Sensoren
Kamera-Rechner-Interface
Softwareintegration
Standard-Messsystem
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ProCam
TraceCamM
TraceCamF
TubeInspect
• Entwicklung in der digitalen Kameratechnik führen zu ständig neuen
Kameralösungen
• Sensortechnik
sie unterscheiden sich in:
• Auflösung
• Datenschnittstelle
• die Auswahl von Kameras für den Aufbau optischer Messsysteme haben
zusätzlich Fragen zu klären wie zum Beispiel:
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geometrische Stabilität der Kamerakomponente
der einfachen Wartbarkeit
der einfachen und flexiblen Softwareanbindung
der Zukunftssicherung
• AICON 3-D-Systems GmbH hat Überlegungen der zu verwendeten
Komponenten angestellt
• der folgende Beitrag befasst sich mit Online - Messsystemen
Digitale Online-Kameras
• früher hatte ein großer Anteil der Kameras CCD-Sensoren
• heute: CMOS-Sensoren
• früher: viele Kameras wurden analog ausgelesen und die Signale mit einem
Framegrabber digitalisiert
• heute: überwiegend voll digital arbeitende Kameras:
• dabei wurde die Auflösung erhöht, so dass 1,3MPixel-Sensoren
standard sind
• zusätzlich: Schnittstelle zwischen Kamera und Rechner vereinheitlich
=> einfache Integration verschiedener Kameras
Sensoren
• CMOS-Sensoren haben die CCD-Sensoren abgelöst
• sowohl im Bereich der industriellen Online-Kameras, aber noch mehr in der
Consumer-Kameras der professionellen Digital-Kamera für
photogrammetrische Anwendung
• CMOS-Sensoren waren früher unbrauchbar durch ihre schlechte Auflösung,
Qualität und geometrische Stabilität
• geometrische Probleme traten bei bewegten Objekten auf, durch
sogenannte Rolling Shutter
• Rolling Shutter: Belichtung erfolgt auf dem Sensor zeilenweise mit
Versatz => Verzerrung
• Problem behoben durch Global Shuttter: Belichtung aller Pixel
• radiometrische Qualität verbessert
• CMOS-Sensoren spezifischer Effekte: z.B. Fixed Pattern Noise werden
durch Verbesserungen der Kamera elektronisch und durch
Signalkorrektur unterdrückt
• CMOS-Sensoren: einzelne Pixel oder Bildbereiche werden schnell
angesprochen
⇒ Ausnutzen für schnelle Bewegung
• CMOS ist preiswerter, somit Preis für Kameras günstiger
Kamera-Rechner-Interfaces
• Bei Datenübertragung von Kamera zu Rechner haben sich einige Typen
etabliert
• neben sichere Übertragung der Datenrate, ist auch die Auswahl einer
geeigneten Übertragungsart wichtig:
• Industrietauglichkeit von Steckern und Kabeln
• Aufwand für die Implementierung von Systemen mit mehreren Kameras
• Nutzung mit möglichst vielen Rechnerplattformen
• Wartungsfreundlichkeit und Ausfallsicherheit
Überblick über einige wichtige Eigenschaften
CameraLink
640MBytes/s
Framgrabber
IEEE1394a
IEEE1394b
USB 2.0
Gigabit Ethernet
Datenrate
32 Mbytes/s
>64MBytes/s 48 Mbytes/s
60 Mbytes/s
Hardware
Hubs,
Hubs,
Hubs,
Netzwerktechnik
Standardkabel Standardkabel Standardkabel
1394a
1394b
Kabellänge
10m, optische Standard 5m - 100m, optische Standard 5m - 100m, mit Hubs
Weglänge
10m, mit Hubs
Weglänge 10m, mit Hubs nahezu unbegrenzt
möglich
70m, optische
möglich
30m
Weglänge
möglich
Anzahl Kameras 1 / Grabber
Bis zu 63
Je nach AusBis zu 127
unbegrenzt
führung
Stecker
Industriestecker Consumer,
in Entwicklung Consumer
Industriestecker
Industriestecker
er verfügbar
Kabeladern
10. - 30.
4. - 6.
6. - 8.
4
8
Unter diesen Anforderungen hat sich die IEEE 1394 Standards (Firewire)
als nützlich erwiesen:
• Systeme können mit Notebooks betrieben werden, keine Zusatzhardware
• Stecker und Kabel sind verfügbar
• Aufbau von Systemen mit vielen Kameras ist möglich
• Datenraten für die meisten Anwendungen der IEEE 1394a hoch genug
• Verbesserung sind bei den IEEE 1394b vorangeschritten, diese erreichen
hier mindestens eine Verdopplung der Datenrate
• durch die Verbesserung der Datenübertragung und eine weitgehende
Kompatibilität zu vorhandenen Versionen kann eine Aufrüstung mit
geringen Aufwand durch geführt werden
Softwareintegration
• Vorteil gilt auch für Treibersoftware der Kameras
• Für Firewire-Kameras wurde ein Standard definiert (DCAM), nach dem die
Kameras ansprechbarer sind
• aufbauend gibt es Erweiterungen zur besseren Nutzung (Advanced DCAM)
• Entwicklung zur Integration zur Integration in eigenen Applikationen
• Voraussetzung für eine gute Integration verschiedener Treiber ist eine
Einbindung in die Anwendungssoftware
• in den AICON - Bibliotheken ist eine Schicht mit allgemeinen
Kamerabefehlen, die über Schnittstellen mit unterschiedlichen Treibern
kommuniziert
• alle hardwarespezifischen Parameter sind in speziellen Initaliesierungsdateien
• diese Anwendungssoftware kann mit jeder beliebigen Hardware
arbeiten
• ein weitere Vorteil: rasche Anpassung an neue Versionen oder Treiber
• folgende Messysteme werden von gleichen Initalisierungsdateien
gesteuert und sind von der Art der Hardware unabhängig
Standard-Messsysteme
• die ausgerüsteten AICON-Systeme mit Online-Kameras unterscheiden
sich durch:
• Anwendungsbereich (Anzahl der Kameras)
• verwendete photogrammetrische Algorithmen
• Aicon GmbH hat sich für IEEE 1394-Kameras entschieden
• Neben den anderen beschrieben Kriterien gab es auch andere:
• Verfügbarkeit
• gute technische Unterstützung
• langfristige Modellpolitik
• es folgt ein kurzer Überblick über die wichtigsten Systeme
ProCam
• Crashfahrzeug – Vermessung
• handgeführter optischer Messtaster mit hochauflösender CCD-Kamera,
portablen PC zur Systemsteuerung und Software
• Taster ist mit Messspitze ausgerüstet -> Abtasten der Messpunkte
• gemessen wird in einem festen Referenzpunktfeld oder auf einem
portablen Panel
• über einen Räumlichen Rückwärtsschnitt wird die Position der Kamera und
der Tastspitze bestimmt
• zur Beleuchtung der Punkte wird ein Ringlicht verwendet
-> keine zusätzliche Beleuchtung nötig
• eingesetzt wird eine CMOS - IEEE1394 – Kamera, die in einem
stabilen Rahmen sitzt
Auflösung: 1300 x 1000 Pixel
• verbunden mit einem PC, Messpunkte werden in einer Datei gespeichert
- Verformung zwischen den Punkten wird automatisch gemessen,
dokumentiert und visualisiert
• Vorteile: - einfaches und schnelles Arbeiten rund um das Fahrzeug
- portables System zur Punktmessung, frei beweglich
- Neuausrichtung der Messausrüstung entfällt
TraceCamM
• Dummypositionierung
• Ausstattung: - Messkopf mit 4 hochauflösenden Digitalkameras
- Infrarotringbeleuchtung
- Notebook als Auswerterechner
- Software 3 D Studio mit Modul zur Dummyausrichtung
• geeignet zur Beobachtung von niederfrequenter Bewegung und
Positionierung von Objekten
• streng synchron ausgelöste Kameras (Broadcastfunktion) erfassen
das Messobjekt
• gemessene Bilder kommen in einen Zwischenspeicher, werden
nacheinander ausgelesen
• bekannt sind innere und relative Orientierung -> durch Vowärtsschnitte werden Objektkoordinaten bestimmt
• gemessen werden Differenzen zur Sollposition des Dummys, Messwerte
gespeichert in einer Koordinatentabelle
• Vorteile: - theoretisch können bis zu 63 Kameras von der Software
angesteuert werden
- freie Positionierung mehrerer Kameras
- reproduzierbare, benutzerunabhängige Messresultate
TraceCamF
• Erfassung schneller Bewegungen
• Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt mit Aufnahmefrequenzen
von 500Hz
• ausgestattet mit CMOS – Sensor, integriertem Hochleistungsblitz,
FPGA Bildauswerteprozessor ist mit Camera Link Schnittstelle verbunden
• Kamerakomponenten werden über einen kamerainternen Linux – Rechner
gesteuert
• Echtzeitbildverarbeitung in der Aufnahmefrequenz -> Bildkoordinaten
sofort gemessen und an einen externen Rechner weitergeleitet zur
Datenverarbeitung
• eingesetzt zur Beobachtung von Radbewegungen, leichte Targets auf
den Rädern angebracht
• Vorteile: - beliebig lange Sequenzen können aufgenommen werden
- gleichzeitige Beobachtung aller vier Räder durch das
Synchronisieren mehrerer Kameras
TubeInspect
• Messen von Rohren
• Messzelle mit 16 hochauflösenden Digitalkameras zur Inspektion
zylindrischer Rohre
• verbunden mit einem Steuerrechner, Spannungsversorgung und
Übertragung der Signale geschieht über Hubs
• streng synchrone Auslösung aller Kameras, da die Rohre flexibel sind
und sich bewegen können
• Bestimmung durch Konstruktion finiter Zylinder im Objektraum,
resultierend aus den Kamerabeobachtungen
• es lassen sich beliebige Rohrverläufe erfassen, auch mit wechselndem
Durchmesser
• Anwendungsbereich: von dünnen hochflexible Bremsleitungen bis zu
Abgasrohren für LKW
• Messvolumen der Zelle: 2,5m x 1m x 0,5m
• Vorteile: - gute Industrietauglichkeit
- auch andere Daten bestimmbar, wie Biegepunkte,
Biegewinkel und Manteltoleranzen
Quellen:
• Integration aktueller Kamerasensorik in optischen Messsystemen
- Robert Godding –
• www.AICON.de
• www.Wikipedia.de