Optische 3D-Oberflächenanalyse in Echtzeit

Prof. Dr. Hartmut Ernst, Hochschule für angewandte Wissenschaften Rosenheim

Zunächst werden einige 3D-Massverfahren vorgestellt, die das Potential zur Oberflächenanalyse in Echtzeit haben.

Shape-from-Shading

Im Anschluss wird eine schnelle Variante des Verfahrens "Shape-from-Shading (SfS)" detaillierter beschrieben. Bei der in wissenschaftlichen Anwendungen schon seit Jahren eingesetzten konventionellen SfS-Methode werden nacheinander mit einer Kamera vier Bilder der zu inspizierenden Oberfläche aufgenommen, wobei jeweils aus einer anderen Richtung beleuchtet wird.

Aus den vier Bildern werden in einem ersten Schritt für jeden ein infinitesimales Flächenelement repräsentierenden Bildpunkt die Steigungen (Gradienten) p und q in X- bzw. Y-Richtung ermittelt. Danach wird aus den Gradienten ein 3D-Bild der betrachteten Objektoberfläche berechnet.

Die Erstellung einer solchen Höhenkarte Z(x, y) kann man sich in Analogie zu einem Spaziergang vorstellen, der bergauf und bergab durch eine Landschaft führt, wobei die Gradienten p und q die Schritthöhen in X- und Y-Richtung darstellen. Mathematisch handelt es sich um ein Optimierungsverfahren, bei dem über alle möglichen Wege integriert und gemittelt wird.

SPARC

Nach der Erläuterung des Messprinzips wird die echtzeitfähige Weiterentwicklung SPARC (Surface Pattern Analyzer and Roughness Calculator) beschrieben.

Grundgedanke ist eine synchrone Beleuchtung mit leicht unterschiedlichen Lichtfrequenzen, die Trennung der Frequenzen durch teildurchlässige Spiegel und dielektrische Filter sowie eine synchrone Aufnahme mit mehreren Kameras mit identischem Blickfeld.

Abb. 1 zeigt einen Blick auf das Funktionsmuster eines Sensorkopfs mit drei Beleuchtungen und drei Kameras. Dieses modifizierte Verfahren konnte durch Verwendung spezieller Kameras noch weiter optimiert werden.

SPARC bietet viele Anwendungsmöglichkeiten überall da, wo stetige 3D-Oberflächen mit wesentlich geringerer vertikaler als lateraler Ausdehnung zu inspizieren sind.

Beispiele dafür sind das Blindenschrift-Inspektionssystem DotScan, das Lesen von erhabenen oder geprägten Zeichen in Grauguss, die Analyse von Prägungen in Kunststoff, Gummi, Leder und Kunstleder, strukturierte Holzoberflächen, Fehlererkennung in Bandmaterialien (z.B. gewebten Textilien) und vieles mehr (vgl. Abb. 2).

  

SPARC-Sensor

Abbildung 1 Der SPARC-Sensor

Anwendungen fü SPARC: Schlagzahl in Grauguss (oben) und Holzoberfläche (unten)

Abbildung 2 Anwendungen für SPARC: Schlagzahl in Grauguss (oben) und Holzoberfläche (unten)