Farbdaten für 3D-Laserscanner

Bei der 3D-Rekonstruktion von Räumen oder Gegenständen ist es mit Laserscannern möglich, die Entfernung jedes sichtbaren Punkts präzise zu bestimmen und ein dreidimensionales Modell zu erzeugen – diesem fehlt jedoch die Farbinformation. Bei der herkömmlichen Kameratechnik hingegen werden zwar Helligkeit und Farbe, aber keine Tiefeninformation erfasst. Dem Laserspezialisten Zoller+Fröhlich GmbH ist jetzt die Symbiose beider Techniken gelungen: Der mobile 3D-Laserscanner Z+F IMAGER 5006i ermittelt ein räumliches Modell in Form einer dreidimensionalen Punktwolke, zu dem eine hochauflösende 5-Megapixel-Kamera von IDS Farbbilder als Textur liefert – zum Beispiel für die Dokumentation von Bauwerken.

Die gewaltige Tempelanlage Angkor Wat im Norden von Kambodscha ist weltberühmt. Doch leider sind heutzutage viele der Bauwerke durch Witterungseinflüsse in einem schlechten Zustand. Verschiedene internationale Organisationen bemühen sich um den Erhalt der faszinierenden Anlage. Der erste Schritt ist dabei eine möglichst detaillierte Dokumentation der Bauwerke, um Veränderungen feststellen zu können. Mit der Kombination aus Lasermesstechnik und Bildverarbeitung werden vor Ort wirklichkeitsgetreue Modelle der Anlage erstellt.

Das Verfahren zur Lasermessung, das der IMAGER 5006 verwendet, nennt sich LIDAR – die Abkürzung steht für „Light Detection And Ranging“. Dabei wird ein roter Laserstrahl über ein motorgetriebenes Spiegelsystem in vertikaler Richtung abgelenkt, sodass er alle Punkte entlang einer Linie abtastet. Zusätzlich rotiert das komplette System horizontal und kann somit ein vollständiges Abbild der im Sichtbereich des Scanners liegenden Umgebung erzeugen. Die eigentliche Entfernung jedes Punkts ermittelt der IMAGER 5006 aus der Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem reflektierten Laserstrahl. Diese wird kontinuierlich aufintegriert, was dem Verfahren einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber anderen Lasermesssystemen wie zum Beispiel gepulsten Systemen – so genannten „time-of-flight“-Verfahren – verschafft.

Im „Ultra High Resolution“-Modus erfasst der Scanner horizontal und vertikal jeweils 40.000 Messpunkte pro voller Umdrehung, der Punktabstand beträgt dabei selbst in 10 m Entfernung nur etwa 1,5 mm. Zu jedem Messpunkt werden neben der Entfernung auch die Reflektivität sowie zwei Winkelkoordinaten hinterlegt. Aus diesen Daten können Koordinaten berechnet werden, die eine sehr dichte Punktwolke der Umgebung liefern. Mittels Farbmapping werden die von dem 5 Megapixel-CMOS-Sensor der IDS-Kamera „USB uEye SE“ gelieferten Bilder über diese Koordinaten gelegt, sodass ein wirklichkeitsgetreues Modell entsteht.

Der eingebaute IPC mit großer Festplatte, ein integriertes Bedienfeld sowie Wechselakkus ermöglichen einen stand-alone-Betrieb des Scanners. Für die Anbindung weiterer Komponenten stellt das System zwei schnelle USB-Schnittstellen zur Verfügung. Zoller+Fröhlich nutzt daher die kompakten USB 2.0-Kameras von IDS auch zum Nachrüsten bereits vorhandener Scanner. Mit wenigen Handgriffen wird die bereits ab Werk kalibrierte Kamera montiert und mit dem eingebauten PC verbunden.

Dank der Plug & Play-Fähigkeit der uEye kann der Benutzer ohne zusätzliche Konfigurationsschritte mit der Messung beginnen. „Die Anbindung über USB 2.0 war ein klarer Vorteil gegenüber den Mitbewerbern“, begründen die für die Kameraintegration verantwortlichen Ingenieure Franz Härtl und Thomas Abmayr die Entscheidung für Kameras von IDS.

Das verwendete Modell UI-1480SE-C bietet mit fünf Megapixeln eine hohe Sensorauflösung. Dadurch kann ein weitwinkliges Objektiv mit 4,8 mm Brennweite verwendet werden – die Auflösung ist selbst bei dem großen Bildwinkel hoch genug, um auch Details noch deutlich abzubilden. Um die gesamte Umgebung aufzunehmen, wird die Kamera automatisch zu unterschiedlichen vertikalen und horizontalen Positionen bewegt.

Eine Aufnahmereihe besteht typischerweise aus drei unterschiedlichen horizontalen Bahnen, wobei jeweils etwa zehn Bilder pro Bahn aufgenommen werden. Für Spezialanwendungen, die eine noch höhere Bildauflösung erfordern, wird die uEye-Kamera mit einem Objektiv mit 8 mm Brennweite versehen. Durch den kleineren Bildwinkel ist die räumliche Auflösung der Farbbilder höher, der Scanner fährt in diesem Fall zusätzliche Positionen an.

Da der Scanner oft auch in Gebäuden eingesetzt wird, waren Dynamikumfang, Empfindlichkeit und Farbqualität der Kamera wichtige Auswahlkriterien für die Ingenieure. Vor jeder Aufnahme passt die Software die Belichtungszeit des Bildsensors automatisch an, um optimal ausgeleuchtete Bilder zu erhalten.

Ein kompletter 360°-Scan dauert – je nach Auflösung der Messpunkte – jeweils etwa drei Minuten für die Lasermessung und die Aufnahme der Farbbilder. Um verdeckte Bereiche des Raums abbilden zu können, werden mehrere Scans von unterschiedlichen Positionen durchgeführt. Anhand markanter Punkte kann das kalibrierte System somit ein vollständiges und wirklichkeitsgetreues 3D-Modell erstellen.

Da der Scanner auf Linux basiert, war es wichtig, dass die USB-Kamera dieses Betriebssystem ebenfalls unterstützt. IDS hat die Softwareeinbindung seiner Industriekamerafamilie elegant umgesetzt: Das kostenlos erhältliche Software Development Kit „uEye SDK“ läuft sowohl auf Windows- als auch auf Linux-Systemen und ist für alle USB- und GigE-Kameraserien des schwäbischen Kameraspezialisten identisch. So können Anwender jederzeit ohne Programmieraufwand auf ein anderes Kameramodell wechseln – ganz gleich, ob die Kamera direkt über die Programmierschnittstelle für C++/C#/VB oder über eines der Interfaces wie zum Beispiel DirectShow oder gängige Bildverarbeitungsbibliotheken eingebunden wird. Zudem unterstützen alle Kameras von IDS den neuen Softwarestandard für die Bildverarbeitung, GenICamTM.

Von dieser Flexibiltät und Einfachheit der Kameraintegration profitiert auch Zoller+Fröhlich: „Wir sind mit der uEye sehr zufrieden – sie ist kompakt und leicht integrierbar“, fasst Thomas Abmayr die Erfahrungen bei der Entwicklung des Scannersystems zusammen.

www.ids-imaging.de

www.zf-laser.com