3D-Formmessung durch Shape from Shading Blindenschriftlesung und -inspektion auf bedruckten Faltschachteln

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1 3D-Formmessung durch Shape from Shading Blindenschriftlesung und -inspektion auf bedruckten Faltschachteln Sandra Söll, Helge Moritz, Hartmut Ernst in-situ GmbH & Co. KG anlässlich der Veranstaltung Qualitätskontrolle für die industrielle Fertigung von

2 Kontakt in-situ GmbH & Co. KG vision & sensor systems Mühlweg 2a Sauerlach bei München Tel.: +49 (0)8104 / Fax : +49 (0)8104 / vision@in-situ.de Internet:

3 in-situ situ GmbH & Co. KG Sauerlach (15 km südlich s von München) M Über 20 Jahre Erfahrung in der Bildverarbeitung Industrielle, medizinische und wissenschaftliche Applikationen Spezialisiert in µm-genauer Vermessung

4 Hard- und Software Hauptsächlich: Eigene Frame-Grabber Familie (SYNCRO) Eigene BV-Tool Tool-Bibliothek in-pac Software-Produkte: in-spect spect,, in-smart, in-plane, in-scope Kundenspezifische Entwicklungen Zusätzlich Systemintegrator von: STEMMER, Cognex, DataSensor, Sick,, CSEM,... Produkte anderer Hersteller mehrere Lösungen L für f r eine Aufgabe

5 Applikations-Beispiele WENZEL: 3D-Sensor PHOENIX für r KMG : BV für r hochwertige Werkzeugeinstellgeräte DMG Microset: BV f MetaSystems: : BV für f r mikroskopische Zellanalysen WashTec: Fröhlich/ hlich/handtmann: Lunker V & M: M Anton Vogl Weitere Kunden: Entwicklung eines Car profilers : Lunker-Inspektion Vermessung von Rohrgewinden Vermessung großflächiger Gipskartonplatten Vogl: Vermessung gro Bayer, Roche, Novartis, Elring Klinger, CyBio, dekorsy,, EPCOS, Siemens, Flextronics,, W.L. Gore, M.A.i., Prometec, Rasco, Sommerer,, Federal Mogul, DESY,...

6 Agenda 1 Überblick über 3D-Messverfahren 2 Prinzip des Verfahrens Shape from Shading 3 Anwendung auf die Braille-Punkte Punkte-Vermessung

7 1 Überblick über 3D-Messverfahren Stereosehen mit zwei Kameras Nachbildung des zweiäugigen Sehens mit zwei Kameras. Defokussierungsreihen (Shape from Focus) Aus mehreren, in verschiedenen Tiefen scharfen Bildern eines Objekts wird das gesamte Objekt als 3D-Bild erfasst. zu langsam zu langsam Lichtradar Projektion von Lichtpulsen und Messung der Zeit bis zum Empfang des reflektierten Lichts. zu ungenau

8 1 Überblick über 3D-Messverfahren Interferometrie Auswertung von Interferenzmustern, die mit kohärentem Licht erzeugt werden. Laser-Lichtschnittverfahren Lichtschnittverfahren Triangulation mit Laserlinien. ungeeignet bed. geeignet Laser-Linie über einige Braille-Punkte.

9 1 Überblick über 3D-Messverfahren Codierter Lichtansatz (Gray-Code Verfahren) Erfassung des gesamten Gesichtsfeldes durch aufeinander folgende Projektion immer schmalerer Linien. Es sind bis ca. 20 Aufnahmen erforderlich. Phasenshift-Verfahren Messung der Phasenverschiebung sinusförmig helligkeitsmodulierter Lichtstreifen. Teure Lichtprojektoren erforderlich. Shape from Shading Ermittlung der Objektform aus der Helligkeit. zu langsam geeignet optimal

10 2 Prinzip des Verfahrens Shape from Shading In der Hell-Dunkel-Malerei des Barock wird die Illusion von Tiefe in einem zweidimensionalen Bild erzeugt. Durch Shape from Shading (SfS) bzw. Form aus Schattierung wird dieses Prinzip umgekehrt: Aus Helligkeitsverteilungen in Bildern wird die Tiefe berechnet. Nicht zu verwechseln: Schattierung = Shading Schatten = Shadow (Shadowing) Madonna (um 1500) von Gerard David

11 2 Prinzip des Verfahrens Shape from Shading Die mit einer Kamera wahrgenommene Helligkeit einer beleuchteten Oberfläche hängt von folgenden Parametern ab: Lichtempfindlichkeit der Kamera Position der Kamera bzw. des aufgenommenen Objekts Richtung und Intensität des eingestrahlten Lichts Reflexivität der Oberfläche (material- und ortsabhängig) Art der Reflexion: spiegelnd oder diffus als Lambert-Strahler.

12 2 Prinzip des Verfahrens Shape from Shading Beispiel: ein Würfel wird ohne Änderung seiner Position oder der Kameraposition aus zwei verschiedenen Richtungen beleuchtet. Die Intensitätsprofile über eine Bildzeile unterscheiden sich in den beiden Bildern sehr deutlich.

13 2 Prinzip des Verfahrens Shape from Shading s n θ Z k Q= Lichtintensität r = Reflexionskoeffizient c = Kameraempfindlichkeit q p Y X Oberfläche: Gradienten: Z(x,y) Normalenvektor: n Intensität: Albedo ρ Z p =, x = q 1+ = p 1 Z y 2 + q 2 p q 1 I(x,y) = c Q r cosθ = ρ n s Wichtig: Richtung s des Lichtes muss genau definiert sein.

14 2 Prinzip des Verfahrens Shape from Shading Erster Schritt: Für jedes Pixel an der Stelle (x,y) des Sensors muss die Intensität I(x,y), also der Grauwert gemessen werden. Aus der Gleichung I(x,y) = ρ n s = ρ (s z - p s y - p s x ) berechnet man dann bei bekannter Intesität I und bekannter Lichtrichtung s=(sx, sy, sz) die drei Unbekannten p, q und ρ. Man benötigt also mindestens drei unabhängige Gleichungen, also drei Aufnahmen mit unterschiedlichen Lichtrichtungen s. Zweiter Schritt: Man folgt den Gradienten (Integration) zur Erstellung der Höhenkarte, also der Form des Objekts.

15 2 Prinzip des Verfahrens Shape from Shading Bessere Resultate erhält man durch Aufnahme von vier statt drei Bildern, wobei aus vier verschiedenen Richtungen mit homogenem, parallelem Licht beleuchtet wird.. Es sind dann überbestimmte Gleichungssysteme zu lösen. Wichtig: Bei der Beleuchtung müssen Schatten und spiegelnde Reflexe vermieden werden (nur diffuse Refl.). Man erhält keine absoluten Entfernungen, sondern nur Höhen relativ zu einem Bezugspunkt. Die Gradienten müssen überall definiert sein,, d.h. die zu vermessende Oberfläche darf keine Sprünge aufweisen.

16 3 Anwendung auf die Braille-Punkte Punkte-Vermessung Messraum mit den vier LED-Lampen

17 3 Anwendung auf die Braille-Punkte Punkte-Vermessung Aufgabenstellung: Qualitätssicherung tssicherung von Blindenschrift auf Faltschachteln. Blick auf die Braille-Punkte von der bedruckten Seite Lokalisieren der geprägten gten Punkte im Blickfeld (ca. 15 cm) Lesen der Schriftzeichen und Vergleich mit Sollwert Bestimmung von Position, Radius und Höhe der Punkte

18 3 Anwendung auf die Braille-Punkte Punkte-Vermessung Beispiele für Faltschachteln: unkritisch Schwierig wegen großer Helligkeitsunterschiede

19 3 Anwendung auf die Braille-Punkte Punkte-Vermessung Beispiel einer Messung Faltschachtel Extrahierte Braille-Punkte 3D-Darstellung

20 3 Anwendung auf die Braille-Punkte Punkte-Vermessung Profil durch drei Braille-Punkte Punkte. 3D-Aufnahme einer Faltschachtel.

21 3 Anwendung auf die Braille-Punkte Punkte-Vermessung Die Messbox Rechner Bildschirm Messraum Probenschublade

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23 Fragen?

24 Lexikon der Bildverarbeitung Hüthig Verlag Heidelberg 2003 ISBN X

25 ABAQuS z. Z. 12 beteiligte KMUs Allgemeine und spezielle Lösungen rund um die Bildverarbeitung Nur ein Ansprechpartner bei Komplettlösungen Gemeinsame Messeauftritte ABAQuS-group.org