Stereovision für 3D-Bildverarbeitungsanwendungen

Was ist Stereo-Vision?

Wie bei anderen Arten der 3D-Bildgebung besteht das Ziel der Stereo-Vision darin, das Problem der Tiefenwahrnehmung zu lösen – den Kern aller 3D-Probleme.

Stereo-Vision ist eine Bildverarbeitungstechnik, die vollständige 3D-Messungen des Sichtfelds mithilfe von zwei oder mehr Bildverarbeitungskameras ermöglicht. Die Grundlage der Stereo-Vision ähnelt der 3D-Wahrnehmung in der menschlichen Vision und basiert auf der Triangulation von Strahlen aus mehreren Blickwinkeln.

Eine Stereokamera ahmt genau die Funktionsweise unserer Augen nach, um uns eine präzise Tiefenwahrnehmung in Echtzeit zu ermöglichen. Dies wird durch die Verwendung von zwei Sensoren in einem bestimmten Abstand erreicht, um ähnliche Pixel von beiden 2D-Ebenen zu triangulieren.

Jeder Pixel in einem Digitalkamerabild sammelt Licht, das die Kamera entlang eines 3D-Strahls erreicht. Wenn ein Merkmal in der Welt als Pixelposition in einem Bild identifiziert werden kann, wissen wir, dass sich dieses Merkmal auf dem 3D-Strahl befindet, der mit diesem Pixel assoziiert ist. Wenn wir mehrere Kameras verwenden, können wir mehrere Strahlen erhalten. Die Bestimmung, wo sich diese Strahlen schneiden, gibt uns die 3D-Position eines Objekts und seiner Merkmale.

Durch die einfache Triangulation von Pixeln und Strahlenschnitten können wir die 3D-Position des Verkehrskegels bestimmen. Je größer die Disparität, desto größer der Winkelversatz vom Objekt und damit desto größer die 3D-Tiefeninformation. Dies reduziert Probleme wie optische Verdeckung, erfordert aber eine sorgfältige Kalibrierung, um erfolgreich zu sein.

Passive und aktive Stereo-Vision

Stereo-Vision in der Bildverarbeitung gilt als passive Technologie, da sie keine künstliche Beleuchtung benötigt, um zu funktionieren. Eine Stereokamera kann einfach angeschlossen, kalibriert und eingesetzt werden.

Einige Stereo-Vision-Anwendungen profitieren jedoch von künstlicher Beleuchtung oder einer strukturierten Lichtquelle zur Verbesserung der Sichtbarkeit – tatsächlich können einige Anwendungen sogar darauf angewiesen sein, um zu funktionieren. Dies wird als aktive Stereo-Vision bezeichnet und hat ebenso wie die passive Stereo-Vision ihre Vor- und Nachteile.

Vor- und Nachteile der Stereo-Vision

Stereo-Vision kann sehr CPU-intensiv sein, wenn sie nicht hardwarebeschleunigt (FPGA, GPU usw.) ist. Dies liegt an Algorithmen wie Semi-Global Matching (SGM), die eine Stereomatchung mit zwei Kameras und eine Kompensation von Objektivverzerrungen durchführen müssen, damit Stereo-Vision über die Zeit genau und konsistent funktioniert.

Wenn Sie feststellen, dass Ihr eingebettetes System oder Ihre Industrie-Computer-Einheit Schwierigkeiten hat, entlasten die Bumblebee X Stereo-Vision-Kameras von Teledyne die CPU eines PCs, da der Großteil der Verarbeitung über eine leistungsstarke FPGA erfolgt – mehr dazu später.

Passive Stereokamerasysteme können ohne Laser/LEDs eingesetzt werden und funktionieren im Allgemeinen bei den meisten Umgebungslichtbedingungen effektiv.

Allerdings neigt Stereo-Vision als 3D-Technologie dazu, bei schlechten Lichtverhältnissen oder beim Scannen von untexturierten Szenen oder Objekten mit texturlosen Oberflächen unterdurchschnittlich zu arbeiten.

Daher ist es am besten, die Stärken der Stereo-Vision auszuspielen, da sie hervorragende Ergebnisse erzielt, wenn sie in gut beleuchteten Umgebungen richtig eingesetzt wird, z. B. für Anwendungen wie Bin-Picking oder autonome Autos. Ohne Laser oder teure Beleuchtung kann passive Stereo-Vision im Vergleich zu 3D-Bildverarbeitungstechnologien deutlich erschwinglicher sein.

Darüber hinaus kann die Stereo-Vision aufgrund der fehlenden Einschränkungen des Bewegungsbereichs des Zielobjekts, wie bei der 3D-Profilierungstechnologie, gut mit großen Entfernungen und bewegten Objekten umgehen – etwas, woran andere 3D-Bildgebungstechnologien oft scheitern.

Ein kalibriertes Stereo-Vision-Kamerasystem kann anschließend die Tiefe in Echtzeit erkennen, und in Kombination mit der richtigen Software zur Anzeige des 3D-Bildes können Benutzer von einer Farbtiefenkarte für zusätzliche Sichtbarkeit profitieren.

Farbkartierung hilft, Entfernungen auf dem Bildschirm visuell zu quantifizieren.

Stereokameras eignen sich hervorragend für eine Vielzahl von Anwendungen. Autonome Fahrzeuge haben beispielsweise stark von Stereo-Vision-Systemen profitiert. Die Kombination dieser Technologie mit einem neuronalen Netzwerk kann zu effektiven Lösungen für selbstfahrende Autos und andere autonome Maschinen führen.

Die Wahl der richtigen Stereokamera

Die 3D-Stereokamera Bumblebee X von Teledyne bietet fantastische Stereo-Bildgebungsergebnisse zu einem erschwinglichen Preis.

Mit Geschwindigkeiten von bis zu 20 Bildern pro Sekunde bietet die Teledyne Bumblebee X eine schnelle 3D-Messung. Darüber hinaus erreicht die Bumblebee X eine hervorragende Auflösung von bis zu 3 Megapixeln im Kamera- und Tiefenbild.

Bumblebee X kombiniert 3D-Stereokamera und Bildverarbeitung in einem Gerät. Durch die Auslagerung der Verarbeitung auf eine FPGA entlastet die Bumblebee X die CPU Ihres Systems bei anspruchsvollen Verarbeitungsaufgaben.

Ob für statische Umgebungen oder anspruchsvolle und kritische Echtzeitanwendungen in dynamischen Umgebungen, die Teledyne Bumblebee X 3D-Tiefenkamera liefert Ihnen genau die Bild- und Tiefendaten, die Sie für Ihre Bildverarbeitungsanwendung benötigen.

Teledyne Bumblebee X

Weitere Informationen dazu finden Sie in unserem informativen E-Book zu 3D-Bildgebungstechniken. Spezifikationen für verschiedene 3D-Bildgebungslösungen finden Sie in den Datenblättern unserer Kameras, die auf unserer Website verfügbar sind, um Ihnen die Entscheidung bei der Auswahl des optimalen 3D-Bildverarbeitungskameramodells für Ihre industrielle Anwendung zu erleichtern.