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Im richtigen Licht

Single-Image (Real-Time) Photometric-Stereo

In vielen Bereichen der optischen Qualitätsinspektion ist die Erkennung von Beschädigungen auf bedruckten Oberflächen notwendig. Werden in solchen Fällen die Objekte mit einer klassischen Auflichtbeleuchtung ausgeleuchtet, so sind sowohl Bedruckung als auch Beschädigung im selben Kamerabild sichtbar und können nur schwer oder gar nicht mittels komplexer Bildverarbeitungsalgorithmen segmentiert werden.

Bild 1: Aufnahme der bedruckten Oberfläche einer Verpackung unter Auflichtbeleuchtung. Durch Verwenden eines Photometric-Stereo-Systems wird die Beschädigung sichtbar. (Bilder: Hochschule Ravensburg-Weingarten)

Bild 1: Aufnahme der bedruckten Oberfläche einer Verpackung unter Auflichtbeleuchtung. Durch Verwenden eines Photometric-Stereo-Systems wird die Beschädigung sichtbar. (Bilder: Hochschule Ravensburg-Weingarten)

Am 3D.LAB der Hochschule Ravensburg-Weingarten werden für solche Aufgabenstellungen Photometric-Stereo (PS) Systeme eingesetzt, die mittels Standard LED-Beleuchtungsmodulen realisiert werden. Photometric-Stereo steht dabei für eine Methode des Shape-of-Shading Verfahrens und wurde bereits Mitte der 80er- Jahre von C.H. Lee und A. Rosenfeld beschrieben [1]. In jüngster Zeit finden PS-Systeme zunehmend in der industriellen Qualitäts- und Oberflächenprüfung Verbreitung – nicht zuletzt, da mehr und mehr darauf spezialisierte Hard- und Software auf dem Machine-Vision Markt angeboten wird. Das PS-Verfahren ermöglicht die Trennung der Oberflächengestalt (3D-Information) eines Objektes von seiner Textur bzw. Bedruckung (Albedo). Für die Anwendung dieses Verfahrens werden mindestens drei Bilder des Objektes benötigt, die zeitlich sequentiell aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen und bei gleicher Kameraposition aufgenommen werden. Das Verfahren berechnet dabei die Oberflächengestalt eines Objektes aus den Grauwerten der Bilder, die aus den geometrischen und spektralen Eigenschaften der Lichtquelle beeinflusst werden. Das Verfahren eignet sich nicht für die absolute 3D-Rekonstruktion eines Objektes, vielmehr berechnet es das Gradientenfeld der Objektoberfläche. Die 3D-Oberflächengestalt wird über die anschließende Integration des Gradientenfeldes bestimmt. Für diese Berechnungen werden eine Reihe von Bedingungen angenommen: so geht man in der Regel von parallelen Lichtquellen aus, die bei konstanter Strahlungsintensität und aus bekannter Strahlungsrichtung das Objekt beleuchten und bei der Objektoberfläche wird angenommen, dass sie mit gleicher Intensität in alle Richtungen rückstrahlt (Lambert’sche Oberfläche). Für eine Übersicht und detaillierte Beschreibung des Verfahrens und seiner Einschränkungen sei auf den Artikel von Zhang et al. [2] verwiesen.

Oberflächenprüfung

Photometric-Stereo ist eine effiziente Methode um selbst kleine Defekte auf bedruckten Oberflächen zu detektieren. Bild 1 zeigt wie PS verwendet wird um Beschädigungen und Defekte auf bedruckten Verpackungen zu finden. Bei dieser Applikation ist es bei einer normaler Auflichtbeleuchtung schwierig, die im rechten Bild markierten Defekte zu detektieren. Typische Anwendungen sind: Inspektion bedruckter und lokal gekrümmter Oberflächen, OCR bei geprägten oder gravierten Lettern, wie z.B. auf Autoreifen, Lesen von Braille-Schrift, usw.

 Bild: OPT Machine Vision

Bild: OPT Machine Vision

 Schematischer Aufbau des PS-Systems bestehend aus Standard LED-Modulen (links). Taktsignal für ein PS-System bestehend aus vier LED-Modulen (rechts). (Bild: Hochschule Ravensburg-Weingarten)

Bild 2: Schematischer Aufbau des PS-Systems bestehend aus Standard LED-Modulen (links). Taktsignal für ein PS-System bestehend aus vier LED-Modulen (rechts). (Bild: Hochschule Ravensburg-Weingarten)

LED-Modul und -Controller

Am 3D.LAB werden IR, UV sowie R,G,B und weiße LED-Beleuchtungen vom Typ LIM-x sowie der LED-Controller DPA1024 des Herstellers OPTMV eingesetzt. Die Auswahl der Wellenlänge erfolgt dabei abhängig von der Objektoberfläche. Zur Berechnung der 3D-Oberfläche bzw. des Gradientenfeldes nach dem PS-Verfahren werden Module der Softwarebibliothek Halcon eingesetzt. Die verwendeten LED-Beleuchtungen bestehen aus vier quadratisch angeordneten LED-Modulen, wobei der Neigewinkel jedes Moduls individuell eingestellt werden kann und jedes LED-Modul individuell über den LED-Controller in der Helligkeit gesteuert und getriggert wird. Eine selbstentwickelte Schaltung generiert dabei bei jeder Bildaufnahme die benötigten n-Triggersignale für den LED-Controller und sorgt somit für den korrekten zeitlichen Ablauf der Bildaufnahme.

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