Wo Licht ist,
ist auch Schatten.
Die optimale Beleuchtung von Prüfobjekten stellt eine wesentliche Voraussetzung für die nachfolgende Bildaufnahme und -auswertung dar. Untypische Reflexionen des einfallenden Lichts werden von den eingesetzten Kameras aufgenommen und können von der Bildverarbeitungssoftware als Fehler identifiziert werden. Beleuchtet man Prüfobjekte nacheinander aus verschiedenen Richtungen und kombiniert die dabei aufgenommenen Kamerabilder, so lassen sich selbst schwierig zu erkennende Fehler zuverlässiger detektieren. Dieses Prinzip nennt man Shape from Shading.
Shape from Shading
Technischer Hintergrund
Für den Großteil aller Bildverarbeitungsanwendungen ist es ausreichend, die Prüfobjekte mit einer Lichtquelle aus einer Richtung zu beleuchten und die Kamera so zu positionieren, dass gut verwertbare Bilder entstehen, die sich von der nachfolgenden Software problemlos verarbeiten lassen. Es gibt jedoch auch Fälle, in denen Fehlermerkmale auf diese Weise nicht so einfach detektiert werden können. Dies gilt beispielsweise für die Prüfung von Bauteilen, die über eine glänzende und diffus streuende Oberfläche verfügen. Wenn die Anwendung es erfordert, auf solchen Oberflächen kleinste Kratzer, Risse, Schleifspuren, Verformungen oder andere kleine Fehler zu identifizieren, so stoßen Bildverarbeitungssysteme mit nur einer Beleuchtung häufig an ihre Grenzen.
Das Shape-from-Shading-Verfahren bietet für solche Fälle erweiterte Möglichkeiten, indem Bilder der Prüfobjekte zwar weiterhin mit nur einer Kamera, aber unter Einsatz mehrerer Beleuchtungen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen werden. Jede Beleuchtungsrichtung ergibt ein anderes Bild, da die vom Objekt und seinen Fehlern zurückgeworfenen Lichtreflexionen unterschiedlich sind. Wie viele Beleuchtungen benötigt werden, hängt von der jeweiligen Anwendung ab - jedoch hat sich in der Praxis gezeigt, dass mit vier im 90°-Winkel angeordneten Lichtquellen bereits sehr gute Ergebnisse erzielbar sind. Nutzt man geeignete Software-Werkzeuge, um aus allen Einzelbildern ein kombiniertes Gesamtbild zu erstellen, so lassen sich mit diesem Verfahren selbst Fehlermerkmale mit wenigen Mikrometern Ausprägung sicher erkennen.
Anwendungen in der Bildverarbeitung
Das Shape-from-Shading-Verfahren ist besonders geeignet für die Prüfung von Texturen und Topographien anspruchsvoller Oberflächen, wie sie in zahlreichen Industriebereichen wie unter anderem in der Automobilindustrie, in der Elektronikfertigung, bei der Herstellung hochgenauer Oberflächen z.B. bei Turbinenschaufeln zur Energieerzeugung oder für Flugzeugantriebe oder auch bei der Produktion von Kunststoffen häufig gefragt sind. Auch für den Nachweis gewünschter Strukturen wie beispielsweise von Brailleschrift auf farbigen Untergründen oder die Erkennung von erhabener Schrift auf Metall- oder Gussteilen ist Shape from Shading eine geeignete Methode.
Shape from Shading mit Kameras von SVS-Vistek
Voraussetzung für den Einsatz der Shape-from-Shading-Technologie ist eine zeitlich exakte Abstimmung zwischen den eingesetzten Beleuchtungen und der Kamera. Üblicherweise ist dafür ein eigener Controller für die Beleuchtungssteuerung erforderlich, der neben den eigentlichen Bildverarbeitungskomponenten zusätzliche Kosten und einen erhöhten Aufwand für die Abstimmung des Gesamtsystems verursacht.
Durch den Einsatz geeigneter Kameras von SVS-Vistek entfällt dieser Zusatzaufwand: Alle unsere Kameramodelle enthalten einen integrierten Strobe-Controller, der bis zu vier Ausgangskanäle mit jeweils maximal 3 Ampere zur Verfügung stellt. Dieses Konzept nennen wir 4IO Strobe Control. Mit Kameras, die über dieses Merkmal verfügen, lassen sich bis zu vier Beleuchtungen hochgenau ansteuern. Der Aufbau wirtschaftlicher Shape-from-Shading-Systeme wird somit zum Kinderspiel.