Intelligente Ansichten

Die Lösung besteht aus einem Roboterarm, einem Drehteller und einem Scansystem, die auch von Nicht-Fachkräften zu bedienen ist. Die intelligente Algorithmik steuert den Prozess und adaptiert ihn dynamisch so, dass mit möglichst wenigen Kamerapositionen eine maximale Oberflächenabdeckung erreicht wird – gänzlich ohne Teaching des Roboters. Es entstehen dabei hochqualitative 3D-Modelle ohne manuelle Nachbearbeitung.

Hard- & Software

Für eine farbechte Erfassung wird eine PhaseOne iXH 150MP Kamera mit einem Ringlicht benutzt. Als Positionierungsgeräte dienen ein UR10 oder UR20 von Universal Robots sowie ein Drehteller. Mithilfe des Arms erfolgt die Erfassung aller sichtbaren Oberflächen des Objekts. Sicherheitsvorkehrungen sind sowohl in der Hardware (bei Stromausfall blockieren Bremsen die Gelenke des Roboters) als auch in der Software implementiert. Die Steuerung garantiert, dass der Roboter mit dem Objekt nicht kollidiert. Zudem wird in Kombination mit dem Drehteller verhindert, dass der Arm über das Objekt greifen muss. Das System ist in zwei mobilen Varianten erhältlich: eine kompakte Version mit einem Drehteller für Objekte bis zu 100kg Gewicht und eine größere Version, die Objekte mit einem Durchmesser bis zu 1m und einer Höhe von 2m erfasst. Eine virtuelle 3D-Bedienumgebung zeigt dem Benutzer alle simulierten bzw. geplanten Prozessschritte.

Der Clou der Lösung ist ein dynamischer Ansatz zur Ansichtenplanung, der eine optimale Anzahl von Positionen für die Erfassungskamera garantiert, unter Berücksichtigung der photogrammetrischen Anforderungen. Die Ansichtenplanung analysiert während des Prozesses alle Bilder auf scharfe Bildbereiche. Nur diese Bildregionen werden für die 3D-Rekonstruktion verwendet. Die Software bestimmt sukzessive die nächsten Positionen und Orientierungen von Roboter und Kamera. Sie stellt geplante Ansichten als grünes Overlay zu den Zwischenergebnissen der 3D-Rekonstrukioon dar. Zusätzlich werden die Roboterwege von einer Position zur nächsten berechnet.

Bedienung und Prozessschritte

Nach dem Aufbau des Systems werden mit Hilfe von Kalibrierungs-Targets Kameraintrinsiken und die Roboterarm-Sensor-Transformation ermittelt. Danach erfolgt die Kalibrierung des Drehtellers, außerdem werden die Farbeigenschaften der Kamera vermessen. Das System nutzt Photogrammetrie als Methode für die Rekonstruktion von 3D-Modellen aus hochauflösenden Bildern. Structure-from-Motion und Multi-View-Stereo identifizieren Merkmale und triangulieren 3D-Informationen. Typische Auflösungen liegen bei 10 bis 15µm. Die Erfassung aller Bilder ist meist schneller als die finale hochgenaue 3D-Rekonstruktion. Diese kann mehrere Stunden dauern. Währenddessen erfolgt die Erfassung eines weiteren Objekt. Im Scan-Prozess werden niedrig aufgelöste 3D-Modelle als Vorschau verwendet, um auf diesen 3D-Modellen Entscheidungen für die Ansichtenplanung zu treffen.

Intelligente Ansichtenplanung statt Teaching

Nachdem der Benutzer das Objekt auf dem Drehteller positioniert und ggf. den Standardwert für Durchmesser und Höhe des Objektes im System angepasst hat, arbeitet der Roboter autonom. Der Benutzer muss den Roboterarm vor dem Scan nicht um das Objekt herumführen, Haltepunkte definieren oder programmieren. Die Ansichtenplanung maximiert die Modellqualität und minimiert die Anzahl der Aufnahmen. Das inkrementelle Verfahren verwendet einen Rückkopplungsprozess aus Planung, Erfassung und Rekonstruktion, wobei Zwischenrekonstruktionen die Basis für die weitere Planung bilden. Eine zentrale Herausforderung war die Entwicklung einer Qualitätsmetrik, die während des Scans auf die finale Modellqualität schließen lässt. Die Punktdichte hat sich empirisch als geeignete Metrik erwiesen.

Beginnend mit einem Schnellscan mit 40 Bildern erfolgt eine erste grobe 3D-Rekonstrukion. Die Ansichtenplanung analysiert über den Prozess immer wieder die Punktdichte, zur Veranschaulichung werden dünn besetzte Bereiche rot und dichte Regionen blau markiert. Daraufhin werden neue Kamerapositionen geplant. Der Roboter scannt weiter, während fortlaufend die Rekonstrukion aktualisiert, sowie neue Kamerapositionen geplant werden. Dieser Prozess wiederholt sich, bis die gewünschte Oberflächendichte erreicht ist. Am Ende des Prozesses steht – ohne manuelle Nachbereitung – das finale 3D-Modell, das visualisiert und analysiert werden kann.