Erfassung dreidimensionaler Strukturen mit 2D-Bildverarbeitung unter Einsatz gesteuerter Beleuchtung

Das Buch behandelt die Erfassung dreidimensionaler Strukturen mit 2D-Bildverarbeitung unter Einsatz gesteuerter Beleuchtung. Zielsetzung dabei ist es, Verfahren zu entwickeln, die es erlauben, eine topographische Oberfläche einfach und robust zu erfassen. Dies geschieht im Hinblick auf den Einsatz der Verfahren in der Qualitätskontrolle, da die dort verwendete taktile Messtechnik, vor allem in der Dimensions- und Oberflächenkontrolle, immer mehr von der digitalen Bildverarbeitung abgelöst wird.

Zunächst ist es dazu erforderlich, Segmentierungsverfahren zu entwickeln, welche die besonderen Reflexions- und Abschattungsverhältnisse aufgrund der Topographie der Oberfläche ausnutzen, um einzelne darauf befindliche topographische Objekte zu segmentieren. Immer auf den Einsatz der Verfahren bei der Verschleißbeurteilung von Schleifwerkzeugen ausgerichtet, wird zunächst ein Bildaufnahmeverfahren vorgestellt, das ein größtmögliches Maß an Information über die topographische Struktur der Oberfläche hervorbringt. Dies gelingt durch Variation der Beleuchtung in Azimut und Elevation, wodurch eine Vielzahl an Einzelbildern entsteht, die jeweils für sich genommen wichtige Information über die Topographie der Oberfläche beinhalten. Kern der Verfahren ist demnach eine spezielle so genannte Aktive Bildaufnahmeeinheit, die eine Beleuchtung der zu untersuchenden Objekte aus zwei Freiheitsgraden erlaubt . Die so erhaltenen Bilderserien dienen den Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler Strukturen als Grundlage.

Ein entwickelter Segmentierungsansatz benutzt den Intensitätsverlauf eines einzelnen Bildpunktes über alle Einzelbilder der Beleuchtungsserie, um einzelne topographische Objekte zu segmentieren. Nach Segmentierung der topographischen Objekte ist schließlich eine Erfassung der Höheninformation dieser 3DTO möglich.

Da die Höheninformation lediglich der Bestimmung globaler Rauheitsparameters dienen und nicht auf eine mikrometergenaue Rekonstruktion abzielen soll, wird ein rein geometrischer Ansatz gewählt. Basis der Erfassung der Höheninformation bilden die Schatten der einzelnen topographischen Objekte, die sie aufgrund der in Azimut und Elevation unterschiedlichen Beleuchtungsrichtung werfen. Diese Länge der Schatten in den Einzelbildern wird zur Erfassung der Höheninformation der topographischen Objekte herangezogen.

Die Erprobung der vorgestellten Verfahren anhand unterschiedlicher Aufgabenstellungen bildet den Abschluss der Arbeit. Es wird die Erfassung von künstlichen Kristallen zur Evaluierung der Methoden, die Verschleißbeurteilung von Schleifwerkzeugen für hochharte Materialien und die Kontrolle der Größe von Lotkügelchen bei Ball Grid Arrays vorgestellt. Speziell bei der Verschleißbeurteilung von Schleifwerkzeugen stellen die entwickelten Verfahren ihre Praxistauglichkeit unter Beweis. Die praktische Anwendung der beschriebenen Verfahren ergibt durchweg sehr viel versprechende Ergebnisse, was eine breite Anwendbarkeit der Algorithmen in Aussicht stellt.

Es kann festgestellt werden, dass die hier vorgestellten Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler Strukturen mit 2D-Bildverarbeitung unter Einsatz gesteuerter Beleuchtung eine robuste und einfache Möglichkeit bieten, topographische Oberflächen zu untersuchen. Dabei bietet dieses optische Untersuchungsverfahren viel mehr Information über die topographische Oberfläche, als ein taktiles Verfahren bieten könnte. Generell reichen die taktilen Messmethoden in der Informationsfülle nicht an das hier vorgestellte Verfahren heran. Im Vergleich mit etablierten Methoden zur Gewinnung von 3D-Informationen aus 2D-Bilddaten, wie beispielsweise Shape- From-Shading, Photometrisches Stereo oder strukturierte Beleuchtung (/sref{Verfahren}), zeichnen sich die vorgestellten Verfahren durch ihre Einfachheit und Robustheit im Bezug auf die Anwendbarkeit auf unterschiedlichste topographische Oberflächen aus.