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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf die berührungslose und zerstörungsfreie
Untersuchung eines Objektes bzw. eines Prozesses, wobei das Startbild
einer Infrarotbildserie ermittelt werden soll.
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Die
Wärmefluss-Thermographie hat sich seit Jahren als berührungslose
und zerstörungsfreie Untersuchungsmethode etabliert. Nach
dieser Methode wird ein Objekt von mindestens einer Quelle angeregt,
um einen Wärmefluss zu erzeugen. Die vom zu untersuchenden
Objekt emittierte Wärmestrahlung wird mit mindestens einem
Infrarotsensor in einer Bildserie erfasst und zu einer Recheneinheit
weiter übertragen. Dort können Ergebnisbilder
aus einer Teilbildserie erzeugt werden, die mit einem Startbild und
einer Serienlänge aus der Gesamtbildserie nach der Anregung
ausgewählt werden. Die dabei erzeugten Ergebnisbilder können
von verschiedensten Typen sein, wobei beispielsweise ein Amplituden-
bzw. Phasenbild gewonnen wird (Theory and Practice of Infrared
Technology for Nondestructive Testing/Xavier P. V. Maldague. – John
Wiley & Sons,
Inc., 2001).
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Beim
Erzeugen eines Ergebnisbildes können jedoch Störungen
auftreten. Diese können z. B. von einer Anregungsquelle
verursacht werden, falls sie einen direkten bzw. von anderen Objekten
reflektierten Wärmefluss in den Infrarotsensor liefert.
Eine solche Störung ist im Regelfall kurz aber sehr stark
und kann sich mit emittierter Wärmestrahlung von dem zu untersuchenden
Objekt überlappen. Dabei dürfen die störungsreichen
Infrarotbilder nicht mehr zu einer Auswertung verwendet werden.
Unter verschiedenen Aufnahmebedingungen kann der Anteil dieser Bilder von
der Gesamtbildserie unterschiedlich groß sein. Unter bestimmten
Bedingungen kann es aber sein, dass eine solche Störung überhaupt
nicht eintritt. Da ein Bild zu einem Startbild einer Teilbildserie
erst dann ausgewählt werden darf, wenn es von den Störungen
der Anregungsquelle frei ist, soll in jedem einzelnen Fall eine
Untersuchung des Gesamtwärmeflusses durchgeführt
werden. Diese ist mit Hilfe einer Untersuchung des Wärmeflusses
aus einem Testbereich auf dem zu untersuchenden Objekt möglich (
Theory
and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing/Xavier
P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001). Standardmäßig
wird eine solche Untersuchung jedoch manuell durchgeführt
(
DE 10326021 A1 ).
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Ferner
kann jedes Bild der Gesamtbildserie als Startbild einer Teilbildserie definiert
werden (
DE 102005018327
A1 ). Damit kann ein Wärmefluss durch das zu untersuchende
Objekt unter verschiedenen Aufnahmebedingungen gemessen und ausgewertet
werden. Diese Auswertung sieht jedoch eine störungsfreie
Anregung vor. Andernfalls werden die ermittelten Werte des Wärmeflusses
keine korrekte Wärmeleitfähigkeiten des zu untersuchenden Objektes
wiederspiegeln.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur automatischen Ermittlung des Startbildes einer Infrarotbildserie
zu schaffen, welches eine störungsfreie Erzeugung eines
Ergebnisbildes gewährleistet. Um dies zu erzielen, soll
sich das Startbild aus der Gesamtbildserie passend zu den aktuellen
Aufnahmebedingungen nach objektiven Kriterien dynamisch ermitteln
lassen. Damit kann eine berührungslose und zerstörungsfreie
Untersuchung eines Objektes bzw. eines Prozesses automatisch gewährleistet
werden. Außerdem soll das Verfahren unter industriellen
Bedingungen flexibel und schnell einstellbar sein.
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Die
Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der
Patentansprüche 1 bis 9.
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Gemäß Anspruch
1 sieht das Verfahren eine automatische Ermittlung des Startbildes
einer Teilbildserie aus der infraroten Gesamtbildserie vor. Aus dieser
Teilbildserie kann eine störungsfreie Erzeugung eines Ergebnisbildes
gewährleistet werden, welches zur berührungslosen
und zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes bzw.
eines Prozesses verwendet werden kann. Dabei wird ein Wärmefluss an
dem zu untersuchenden Objekt innerhalb eines Testbereiches in jedem
einzelnen Bild der Gesamtbildserie gemessen und in einen Merkmalsvektor
erfasst. Dieser Merkmalsvektor wird zuerst nach einem lokalen Minimum
Wloc_min (local minimum) des Wärmeflusses
im Bezug zu früheren Bildern der Gesamtbildserie abgesucht.
Unabhängig davon, ob eine Störung in dem erfassten
Merkmalsvektor vorhanden ist, soll das erste lokale Minimum Wloc_min ermittelt werden, ab dem ein Wärmefluss
durch das zu untersuchende Objekt anfangt zu wachsen und der störende Wärmefluss
aus einer Anregungsquelle stark abgeschwächt ist. Das erste
lokale Maximum Wloc_max (local maximum)
des Wärmeflusses im Bezug zu späteren Bildern
der Gesamtbildserie, das danach detektiert wird, weist dagegen ein
Bild aus, ab dem ein Wärmefluss durch das zu untersuchende
Objekt anfängt zu sinken. Damit soll das Startbild einer
störungsfreien Teilbildserie sich zwischen diesen beiden Bildern
befinden. Um eine sichere Ausgrenzung einer störungsfreien
Teilbildserie zu gewährleisten, soll ein Trennungsfaktor θ verwendet
werden, der eine Trennung zwischen einem Rauschsignal und einem signifikanten
Signal darstellt. Somit wird das gesuchte Startbild einer Teilbildserie
als jenes ermittelt, das einen Wert W des Wärmeflusses
aufweist, der erst nach dem ersten lokalen Minimum Wloc_min den
folgenden Schwellwert Wthd (threshold) überschreitet: Wthd = Wloc_min +
(Wloc_max – Wloc_min)·θ.
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Da
ein Wärmefluss an dem zu untersuchenden Objekt innerhalb
eines Testbereiches in jedem einzelnen Bild der Gesamtbildserie
gemessen und in einen Merkmalsvektor erfasst wird, soll gemäß Anspruch
2 sein Wert ausschließlich aus den Bildwerten der Pixel
dieses Testbereiches berechnet werden. Damit kann eine korrekte
und gleichzeitig flexible Auswertung des Wärmeflusses durch
das zu untersuchende Objekt gewährleistet werden. Beispielsweise
kann ein Mittelwert der Werte, die alle Pixel in diesem Testbereich
aufweisen, als Wert W eines gemessenen Wärmeflusses dienen.
Mit dieser Berechnungsmethode wird eine einfache und gleichzeitig
sichere Auswertung des Wärmeflusses durch das zu untersuchende
Objekt durchgeführt.
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Gemäß Anspruch
3 soll der Testbereich, in dem der Wert W des Wärmeflusses
gemessen wird, innerhalb des zu untersuchenden Objektes positioniert
werden. Dies gewährleistet, dass nur der Wärmefluss
durch das zu untersuchende Objekt gemessen und erfasst wird. Dieser
Testbereich kann z. B. einen gemeinsamen Schwerpunkt mit dem zu
untersuchenden Objekt haben. Damit kann eine hohe Präzision
des gemessenen Wärmeflusses erreicht werden.
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Aus
gleichem Grund soll gemäß Anspruch 4 die Größe
und Form des Testbereiches, in dem der Wert W des Wärmeflusses
gemessen wird, an die Größe und Form des zu untersuchenden
Objektes angepasst werden.
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Gemäß Anspruch
5 kann der Trennungsfaktor θ, dessen Wert im Bereich [0–1]
liegt, erfahrungsgemäß festgelegt und im weiteren
als typischer Wert verwendet werden. Somit kann eine sichere Trennung
zwischen einem Rauschsignal und einem signifikanten Signal gewährleistet
werden.
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Gemäß Anspruch
6 wird der Merkmalsvektor, in dem die Werte W des gemessenen Wärmeflusses
erfasst sind, mit Hilfe morphologischer Filter bearbeitet. Dies
gewährleistet, dass alle lokalen Minima und Maxima des
Merkmalsvektors in seinem Gesamtablauf und damit unabhängig
von den Störungseinflüssen der Anregungsquelle
detektiert werden.
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Gemäß Anspruch
7 wird eine Serienlänge der Teilbildserie auf der Basis
der ermittelten charakteristischen Bilder der Gesamtbildserie ausgewählt. Zu
diesen Bildern zählen das Startbild sowie die Bilder, die
das erste lokale Minimum Wloc_min des Wärmeflusses
im Bezug zu früheren Bildern der Gesamtbildserie und danach
das erste lokale Maximum Wloc_max des Wärmeflusses
im Bezug zu späteren Bildern der Gesamtbildserie aufweisen.
Da diese charakteristischen Bilder der Gesamtbildserie dynamisch •ermittelt
werden, kann dabei auch eine automatische Festlegung der Serienlänge
einer Teilbildserie gewährleistet werden. Diese Festlegung
soll nach einem von mehreren bekannten Verfahren zur Erzeugung eines
Ergebnisbildes (Theory and Practice of Infrared Technology
for Nondestructive Testing/Xavier P. V. Maldague. – John
Wiley & Sons, Inc.,
2001) durchgeführt werden. Eine Serienlänge kann
beispielsweise als doppelte Länge zwischen dem Startbild
und dem Bild ausgewählt werden, welches das erste lokale
Maximum Wloc_max des Wärmeflusses
im Bezug zu späteren Bildern der Gesamtbildserie aufweist.
In einem anderen Fall kann die Serienlänge z. B. als nächstgroße
Länge ausgewählt werden, die eine Potenz von zwei
ist und dabei die Länge zwischen den Bildern überschreitet,
die das erste lokale Minimum Wloc_min und
danach das erste lokale Maximum Wloc_max des
Wärmeflusses aufweisen. In jedem Fall soll die Serienlänge
einer Teilbildserie so festgelegt werden, dass sie das Ende der Gesamtbildserie
nicht überschreitet.
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Gemäß Anspruch
8 wird nach einer asynchronen Anregung eines Objektes, wobei unterschiedliche
Punkte dieses Objektes nicht gleichzeitig angeregt werden, ein Ergebnisbild
nach dem vorliegendem Verfahren erzeugt, sodass das Startbild sowie
die Serienlänge einer Teilbildserie jeweils für
jeden einzelnen Pixel des erzeugten Ergebnisbildes dynamisch ermittelt
werden. Somit kann eine präzise Erzeugung eines Ergebnisbildes
durchgeführt werden, wobei alle Pixel dieses Ergebnisbildes
individuell bezüglich der Anregung zeitkorrigiert werden.
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Um
die gleichen Bedingungen bei der Erzeugung eines Ergebnisbildes
zu schaffen, werden gemäß Anspruch 9 die Serienlängen
aller Teilbildserien gleich und zwar nach der kürzesten
Teilbildserie festgelegt.
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Die
Einzelheiten der Erfindung sowie ihre weiteren Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
anhand der 1–2 erläutert.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung,
unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
der Zeichnung. Es wird gezeigt:
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1 zeigt
die schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Wärmeflusses
(2) durch ein Objekt, der mit einem direkten Wärmefluss
(3) von der Anregungsquelle belastet ist.
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2 zeigt
die schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Wärmeflusses
(2) durch ein Objekt, wobei ein direkter Wärmefluss
von der Anregungsquelle nicht vorhanden ist.
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Als
Beispiel kann ein Objekt angenommen werden, das mit einem Blitz
angeregt wird. Dabei kann ein Wärmefluss auf diesem Objekt
mit Hilfe eines Infrarotsensors aufgenommen, zu einer Rechnereinheit
weitergeleitet und dort untersucht werden. Die Anregung des zu untersuchenden
Objektes kann ohne Beschränkung des angemeldeten Verfahrens auch
auf andere Art und Weise durchgeführt werden.
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Je
nach Position der Anregungsquelle sowie des aufnehmenden Infrarotsensors
kann der Wärmefluss (3) von der Anregungsquelle
direkt bzw. reflektiert von einem anderen Objekt in den Infrarotsensor eingestrahlt
werden. Diese Einstrahlung stört die Auswertung des Wärmeflusses
(2), der durch das zu untersuchende Objekt geht (1).
Falls eine solche Störung nicht entsteht bzw. ein Infrarotsensor
von dieser Störung abgeschirmt ist, wird nur ein störungsfreier
Wärmefluss (2) durch das zu untersuchende Objekt
registriert (2).
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Unabhängig
von den Aufnahmebedingungen soll ein Bild automatisch erkannt werden,
das als erstes in der Gesamtbildserie einen störungsfreien
Wärmefluss (2) durch das zu untersuchende Objekt
aufweist. Erfindungsgemäß kann ein solches Bild,
genannt Startbild (4), folgendermaßen ermittelt
werden. Die gemessenen Werte W des Wärmeflusses werden
in einem Merkmalsvektor (1) erfasst, der dann nach lokalen
Minima und Maxima untersucht wird. Unabhängig davon, ob
eine Störung (3) im erfassten Merkmalsvektor (1)
vorhanden ist, soll das erste lokale Minimum Wloc_min ermittelt
werden, ab dem ein Wärmefluss (2) durch das zu
untersuchende Objekt anfängt zu wachsen und der störende
Wärmefluss (3) von einer Anregungsquelle stark
abgeschwächt ist. Das erste lokale Maximum Wloc_max des
Wärmeflusses im Bezug zu späteren Bildern der
Gesamtbildserie, das danach detektiert wird, weist dagegen ein Bild
aus, ab dem ein Wärmefluss (2) durch das zu untersuchende
Objekt anfängt zu sinken. Damit soll sich das Startbild
(4) einer störungsfreien Teilbildserie zwischen
diesen beiden Bildern befinden.
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Um
eine sichere Ausgrenzung einer störungsfreien Teilbildserie
zu gewährleisten, wird ein Trennungsfaktor θ verwendet,
der eine Trennung zwischen einem Rauschsignal und einem signifikanten
Signal darstellt. Es ist bekannt, dass der Rand eines Strahles durch
den Abfall seiner Intensität relativ zur Strahlmitte um
das e2-fache definiert ist (Technische
Optik: Grundlagen und Anwendungen/Gottfried Schröder. – 7.
Aufl.- Würzburg: Vogel, 1990) und sich damit noch
von dem Störungsniveau unterscheidet. Aus diesem Grund
kann der Wert des Trennungsfaktors θ im Allgemeinfall erfindungsgemäß als θ =
1/e2 ≈ 0.135 angenommen werden.
Bei einem konkreten System kann jedoch eine passende Einstellung
dieses Trennungsfaktors θ stattfinden, dessen Wert im Bereich
[0–1] liegt. Somit wird erfindungsgemäß das gesuchte
Startbild (4) einer Teilbildserie als jenes ermittelt,
das einen Wert W des Wärmeflusses aufweist, der erst nach
dem lokalen Minimum Wloc_min den folgenden
Schwellwert Wthd (threshold) überschreitet: Wthd = Wloc_min +
(Wloc_max – Wloc_min)·θ.
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Dabei
ist eine korrekte Kurvendiskussion des erfassten Merkmalsvektors
(1) erforderlich. Erfindungsgemäß wird
diese Analyse mit Hilfe morphologischer Filter durchgeführt
und damit eine einwandfreie Ausgliederung verschiedener Komponenten, wie
lokaler Minima und Maxima, aus einer Kurve gewährleistet.
Somit können alle lokalen Minima und Maxima des erfassten
Merkmalsvektors (1) unabhängig von seinem Gesamtverlauf
ermittelt werden.
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Zusammenfassend
kann das angemeldete Verfahren eine automatische, berührungslose
und zerstörungsfreie Untersuchung eines Objektes bzw. eines
Prozesses gewährleisten, wobei das Startbild einer Infrarotbildserie
unabhängig von den Aufnahmebedingungen dynamisch ermittelt
werden kann.
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- 1
- Merkmalsvektor,
der einen zeitlichen Verlauf des aufgenommenen Wärmeflusses
darstellt
- 2
- Wärmefluss,
der durch das zu untersuchende Objekt geht
- 3
- Wärmefluss
von der Anregungsquelle, der direkt bzw. reflektiert von einem anderen
Objekt in den Infrarotsensor eingestrahlt ist
- 4
- Startbild
der Teilbildserie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10326021
A1 [0004]
- - DE 102005018327 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Theory and
Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing/Xavier
P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001 [0003]
- - Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive
Testing/Xavier P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001 [0004]
- - Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive
Testing/Xavier P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001 [0014]
- - Technische Optik: Grundlagen und Anwendungen/Gottfried Schröder. – 7.
Aufl.- Würzburg: Vogel, 1990 [0023]