Integration aktueller. Kamerasensorik. in optischen Messsystemen

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1 Integration aktueller Kamerasensorik in optischen Messsystemen Daniela Schütz & Isabell Zillich

2 Übersicht Digitale Online-Kameras Sensoren Kamera-Rechner-Interface Softwareintegration Standard-Messsystem ProCam TraceCamM TraceCamF TubeInspect

3 Entwicklung in der digitalen Kameratechnik führen zu ständig neuen Kameralösungen sie unterscheiden sich in: Sensortechnik Auflösung Datenschnittstelle die Auswahl von Kameras für den Aufbau optischer Messsysteme haben zusätzlich Fragen zu klären wie zum Beispiel: 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

4 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

5 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

6 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

7 Kamera-Rechner 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

8 Überblick über einige wichtige Eigenschaften CameraLink IEEE1394a IEEE1394b USB 2.0 Gigabit Ethernet Datenrate 640MBytes/s 32 Mbytes/s >64MBytes/s 48 Mbytes/s 60 Mbytes/s Hardware Framgrabber 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 Aus- Bis zu 127 unbegrenzt führung Stecker Industriestecker Consumer, in Entwicklung Consumer Industriestecker Industriestecker er verfügbar Kabeladern

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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

18 Vorteile: - beliebig lange Sequenzen können aufgenommen werden - gleichzeitige Beobachtung aller vier Räder durch das Synchronisieren mehrerer Kameras

19 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

20 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

21 Quellen: Integration aktueller Kamerasensorik in optischen Messsystemen - Robert Godding