3-D-Oberflächeninspektion in Echtzeit mit SPARC

Mit SPARC (Surface Pattern Analyzer and Roughness Calculator) stellt in-situ ein gemeinsam mit der Hochschule für angewandte Wissenschaften Rosenheim entwickeltes, auf dem Prinzip „Shape-from-Shading (SfS)“ basierendes optisches 3D-Messsystem vor. Hervorzuheben ist, dass SPARC mit nur einer einzigen Aufnahme dreidimensionale Bilder von Objekten liefert; dies ermöglicht auch die Analyse bewegter Objekte.

Zudem kommen ausschließlich Standard-Komponenten zum Einsatz und keinerlei bewegliche mechanische Elemente, so dass ein besonders robustes System mit günstigem Preis/Leistungsverhältnis erreicht werden konnte. Das Messprinzip setzt stetige Oberflächen ohne Löcher und scharfe Kanten voraus. Bei den Anwendungen stehen die Analyse von geprägten Strukturen, dreidimensionalen Oberflächenmustern und die Messung von Rauigkeiten im Vordergrund.

Prinzip des Messverfahrens

Nach dem SfS-Verfahren [Hor89] werden mit einer senkrecht auf das zu vermessende Objekt gerichteten Kamera nacheinander mindestens drei Bilder aufgenommen, wobei die Beleuchtung aus jeweils unterschiedlichen Richtungen erfolgt. Aus den Einzelbildern lassen sich unter Zugrundelegung eines Beleuchtungsmodells die Steigungen der gesuchten Oberfläche in X- und Y-Richtung berechnen. Im nächsten Schritt wird nun die dreidimensionale Form der gesuchten Oberfläche berechnet. Dies kann man sich in Analogie zu einem Spaziergang vorstellen, der bergauf und bergab durch eine Landschaft führt, wobei die in jedem Punkt bekannten Steigungen in X- und Y-Richtung die Schritthöhen darstellen. Der bekannte Algorithmus [Fra88], [Wei01] ist mathematisch sehr aufwändig und erfordert drei Fourier-Transformationen. Die nebenstehende Abbildung zeigt den SPARC-Messkopf.

Optimierung des Verfahrens

Das hier vorgestellte und zum Patent angemeldete Verfahren führt wesentliche Verbesserungen in dreierlei Hinsicht ein:

1. Die Mehrfachaufnahmen mit einer Kamera werden durch eine synchrone Bildaufnahme mit drei Kameras ersetzt. Die Beleuchtung erfolgt dabei simultan mit drei monochromatischen Lampen, deren Wellenlängen um jeweils ca. 40 nm zueinander versetzt sind. Zur Trennung der Wellenlängen des reflektierten Lichts in den Kameras wird eine Kombination aus dielektrischen, teildurchlässigen Spiegeln und Filtern verwendet. Auf diese Weise ist nun eine simultane Aufnahme möglich, wobei sicher gestellt ist, dass jede Kamera wie bei sequentiellen Aufnahmen nur das Licht der zugehörigen Leuchte sieht, während das von den jeweils anderen Leuchten ausgesandte Licht effizient unterdrückt wird.

2. Durch eine Weiterentwicklung des Algorithmus wird die Anzahl der Fourier-Transformationen von drei auf zwei reduziert, was die Auswertegeschwindigkeit deutlich erhöht.

3. Die Auswertegeschwindigkeit kann optional bei Verwendung eines Rechners mit Dual-Core Prozessor weiter erhöht werden. Dazu werden die beiden Fourier-Transformationen in einer Pipeline parallelisiert. Wenn in Prozessor 2 eine Fourier-Rücktransformation durchgeführt wird, läuft parallel dazu in Prozessor 1 bereits die erste Fourier-Transformation des nächsten Bildes. Auf diese Weise kann neben der Bildaufnahme für begrenzte Bildausschnitte auch die Auswertung in Videogeschwindigkeit erfolgen.

Anwendungen

SPARC ist sehr gut dazu geeignet, dreidimensionale, stetige Oberflächen in Echtzeit zu erfassen. Da nur eine Aufnahme mit 150 µsec Belichtungszeit erforderlich ist, können auch bewegte Objekte analysiert werden. Dank der sehr schnellen Auswertung können Mess- und Prüfaufgaben im industriellen Umfeld optimal gelöst werden.

Anwendungsbeispiele sind die Kontrolle von Prägeschriften, Gravuren, Blindenschrift-Punkten und Schlagzahlen [Soe06]. Die folgende Abbildung gibt davon eine Vorstellung. Dabei kann bei einem Blickfeld von 100 mm Durchmesser eine Höhenauflösung von ca. 10 µm erzielt werden.

Die Analysen erhabener Texturen von Leder, Kunststoff oder Kartonagen sowie vergleichbarer strukturierter Oberflächen sind weitere typische Applikationen. Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Messung von Rauigkeiten gemäß ISO 4287, beispielsweise von Schleifprofilen. Auch Holzoberflächen können so schnell und effizient beurteilt werden. Die Höhenauflösung reicht in Abhängigkeit vom Gesichtsfelddurchmesser bis ca. 1 µm.

Das System wird im Rahmen der Sonderschau „Berührungslose Messtechnik“ anlässlich der Control 2008 in Stuttgart, 22. bis 25. April, in Halle 1, Stand 1626, vorgestellt. Die Sonderschau will einen Beitrag zur Verbreiterung der Akzeptanz berührungsloser Messtechnik leisten, indem an einigen ausgewählten Exponaten die Konstruktionsprinzipien, Eigenheiten und Grenzen der neuen Messmöglichkeiten demonstriert werden. Die Sonderschau findet mit Unterstützung der P. E. Schall GmbH, den Mitgliedern des Control-Messebeirats und der Fraunhofer-Allianz Vision statt.

Die Fraunhofer-Allianz Vision ist ein Zusammenschluss von Fraunhofer-Instituten zu den Themen Bildverarbeitung, optische Inspektion und 3-D-Messtechnik, Röntgenmesstechnik und zerstörungsfreie Prüfung.

Literatur:
[Fra88] R. T. Frankot and R. Chellappa: A method for enforcing integrability in shape from shading algorithms. IEEE Transactions on pattern Analysis and Machine Intelligence 10, 439-451, (1988)

[Hor89] B. Horn und M. Brooks (eds.): Shape from Shading. MIT Press, (1989)

[Soe06] S. Söll, B. Roither, H. Moritz, H. Ernst: Surface Test with Shape-from-Shading. Photonic International, 74-76 (2007)

[Wei01] T. Wei and R. Klette: A New Algorithm for Gradient Field Integration.
Image and Vision Computing New Zealand (IVCNZ'2000), Dunedin (2001)

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