Dynamische 3D-Bildgebung unter globaler Beleuchtung

Als „Augen der Industrie“ liefert die 3D-Messtechnik umfassende, genaue und zuverlässige 3D-Informationen für die hochpräzise Fertigung. Optische Messmethoden wie die strukturierte Lichtprojektion werden in verschiedenen Bereichen weithin eingesetzt, darunter industrielle Inspektion, intelligente Montage, fortschrittliche Fertigung und Materialsortierung.

Diese auf dem Triangulationsprinzip beruhenden Methoden basieren auf dem traditionellen Konzept der geometrischen Optik der „Punkt-zu-Punkt“-Abbildung. Daher sind sie normalerweise auf Szenarien mit direkten Beleuchtungsbedingungen beschränkt.

Mit der Weiterentwicklung von Fertigungsprozessen und der Vervielfachung intelligenter Anwendungsszenarien verschieben sich die Anforderungen an Messaufgaben von einfachen statischen 3D-Messungen in unkomplizierten Umgebungen zu hochpräzisen dynamischen Messungen in komplexen gemischten Umgebungen. Bei der industriellen Inspektion und intelligenten Montage beispielsweise sind bei Messungen häufig verschiedene reflektierende Oberflächen beteiligt.

Zu den Herausforderungen gehören die indirekte Mehrwegebeleuchtung, die durch gegenseitige Reflexionen auf metallischen oder spiegelnden Oberflächen entsteht, sowie die Streuung unter der Oberfläche auf gemischten Oberflächen wie Jade, Eis, Haut und Wachs. Ebenso erfordern moderne Fertigungsverfahren und Materialsortierung dynamische 3D-Messungen über komplexe Übertragungsmedien.

So muss beispielsweise bei der Echtzeitüberwachung des Formungszustands im additiven 3D-Druck mit Metallen volumetrische Streuung durch indirekte Beleuchtung bewältigt werden, während bei der Materialsortierung für die schnelle Identifizierung und Klassifizierung von Objekten innerhalb durchscheinender Oberflächen direkte/indirekte Mehrwegbeleuchtung erforderlich ist, wie in Abb. 1 dargestellt. Alle diese anspruchsvollen Beleuchtungsbedingungen werden zusammen als globale Beleuchtung bezeichnet.

Bei globaler Beleuchtung stören Lichtausbreitungspfade die „Punkt-zu-Punkt“-Einzelreflexionsbedingungen, die herkömmliche Bildgebungsmodelle erfordern. Die direkte Anwendung herkömmlicher 3D-Messmethoden kann aufgrund der Vermischung und/oder des Verlusts tiefenkodierter Informationen fehlschlagen, was die Anwendungsszenarien für bestehende Messtechniken erheblich einschränkt.

Parallele Einzelpixel-Bildgebung in mehreren Maßstäben

Zu diesem Zweck wird eine Fourier-Doppelschichtprojektion mit tiefenbeschränkter Lokalisierung vorgestellt, um verschiedene Beleuchtungs- und Reflexionskomponenten effizient zu trennen und zu nutzen, wodurch die Anzahl der Projektionsmuster in jeder Sequenz deutlich von Tausenden auf 15 reduziert werden kann, wie in Abb. 2(a) gezeigt.

Anschließend wird die mehrskalige parallele Einzelpixelbildgebung (MS-PSI) auf Grundlage des vorgeschlagenen und bewiesenen Positionsinvariantentheorems vorgeschlagen, das die lokale regionale Annahme aufhebt und eine dynamische 3D-Rekonstruktion ermöglicht, wie in Abb. 2(b) dargestellt.

Ergebnisse

Anders als die traditionelle Methode mit strukturiertem Licht ist die vorgeschlagene MS-PSI-Methode nicht mehr durch die Punkt-zu-Punkt-Triangulationsregel beschränkt und bricht mit der Annahme des regionalen Lichtempfangs bestehender PSI-Methoden. Sie bietet eine effiziente und allgemeine Lösung für die Trennung komplexer Beleuchtungsinformationen, einschließlich Untergrundstreuung, Interreflexion, Mehrschichtüberlagerungen und dünner volumetrischer Streumedien, indem sie den vierdimensionalen Lichttransportkoeffizienten aufzeichnet.

Die experimentellen Ergebnisse ebnen den Weg für eine dynamische 3D-Rekonstruktion unter komplexen optischen Feldreflexions- und -übertragungsbedingungen und kommen Bildgebungs- und Sensoranwendungen in der fortschrittlichen Fertigung, dem autonomen Fahren und der biomedizinischen Bildgebung zugute.