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3D aus Neigungsdaten

Oberflächeninspektion mit Deflektometrie & photometrischem Stereo

Bei der Bewertung der 3D-Gestalt können nicht nur 3D-Punkte verwendet werden, sondern auch Neigungsdaten. Thema der Forschung ist hier die Kombination von photometrischem Stereo und Deflektometrie.

 Inspektion eines unlackierten Stahlblechs mittels photometrischem Stereo. Während bei Betrachtung im Umgebungslicht kein Defekt erkennbar ist (l.u.), lässt sowohl die mittels photometrischem Stereo erhaltene Rekonstruktion (grün) als auch die daraus berechnete Krümmung (r.o.) vorhandene Dellen und Beulen klar erkennen. (Bild: Fraunhofer IOSB)

Bild 1 | Inspektion eines unlackierten Stahlblechs mittels photometrischem Stereo. Während bei Betrachtung im Umgebungslicht kein Defekt erkennbar ist (l.u.), lässt sowohl die mittels photometrischem Stereo erhaltene Rekonstruktion (grün) als auch die daraus berechnete Krümmung (r.o.) vorhandene Dellen und Beulen klar erkennen. (Bild: Fraunhofer IOSB)

In manchen Anwendungen wie z.B. bei der Vollständigkeitsprüfung oder bei der Bestimmung der Farbe bzw. des Spektrums steckt die Nutzinformation unmittelbar in den Helligkeitswerten des Pixels, so dass eine Erfassung der räumlichen Gestalt nicht erforderlich ist. Ist aber die Geometrie des Prüfobjekts von Interesse, so bieten sich gleich mehrere Möglichkeiten an, um an diese zu gelangen. Neben Stereokamerasystemen und Time-of-flight-Kameras, die eher in der Robotik und beim automatischen Fahren üblich sind, werden in der automatischen Sichtprüfung besonders Projektionsverfahren mit aktiver Beleuchtung verwendet. Allerdings sind Projektionsverfahren nicht die erste Wahl, wenn kleine Neigungsunterschiede auf der Prüfoberfläche von Interesse sind. Der Grund dafür ist, dass zur Bestimmung der Oberflächenneigung die Höhendifferenzen benachbarter Oberflächenpunkte berechnet werden müssen, was mathematisch einer Ableitung entspricht und daher anfällig gegen hochfrequentes Rauschen ist. Nicht selten liegt auch die Rauheit der Oberfläche selbst schon in der Größenordnung der gesuchten Abweichungen, z.B. bei Rohblechen, die später lackiert oder beschichtet werden sollen.

Photometrisches Stereo

Eine Alternative zu Projektionsverfahren stellt das photometrische Stereo dar. Dabei wird die sichtbare Helligkeit ausgewertet, unter der ein Oberflächenpunkt erscheint, wenn Beleuchtungen aus unterschiedlichen Richtungen einstrahlen. Anschaulich erscheint ein Oberflächenbereich umso heller, je senkrechter die Beleuchtung zur Oberfläche steht. Man kann zeigen, dass sich unter moderaten Bedingungen an die Oberflächenreflektanz an jedem Oberflächenpunkt die zugehörige Neigung mit guter Genauigkeit bestimmen lässt, wenn die Oberfläche aus mehreren (theoretisch mindestens drei, besser mehr) Richtungen beleuchtet wird. Wie bei Projektionsverfahren sollte die Oberfläche im Wesentlichen diffus reflektierend sein, wobei sich aber auch Abweichungen von einer ideal diffusen Streuung durch Kalibrierung berücksichtigen lassen. Im Unterschied zu Projektionsverfahren wird hier aber die Oberflächenneigung direkt, d.h. ohne Ableitungsoperation erfasst. Beim photometrischen Stereo muss allerdings im Gegenzug ein Integrationsschritt durchgeführt werden, um aus den Oberflächenneigungen die Oberflächenpunkte selbst zu erhalten.

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