DE102009050075B4

DE102009050075B4 - Verfahren zur Messung der Wolkigkeit von Lackierungen auf Prüftafeln

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Publication number: DE102009050075B4
Application number: DE102009050075.8A
Authority: DE
Inventors: Georg Wigger; Dr. Bornemann Christian; Dr. Raupach Ingo; Daniel Briesenick
Original assignee: BASF Coatings GmbH
Current assignee: BASF Coatings GmbH
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: WO2011048147A1; DE102009050075A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Wolkigkeit von Lackierungen auf Prüftafeln unter Messung der Farbkoordinaten L*, a* und b* an jeweils mindestens 100 verschiedenen Messorten auf der Prüftafel unter jeweils mindestens 3 verschiedenen Beobachtungswinkeln w, dadurch gekennzeichnet, dass (i) auf jede Gruppe von n Messwerten, die unter einem bestimmten Beobachtungswinkel w für eine bestimmte Farbkoordinate F* = L*, a* oder b* an verschiedenen Messorten mit den Ortskoordinaten (x, y) erhalten wurden, das Gauß'sche Glättungsfilter mit der Formelangewendet wird, so dass Gruppen von ng geglätteten Messwerten erhalten werden, (ii) auf jede Gruppe von ng geglätteten Messwerten die Sobel-Operatoren und wie folgt angewendet werdenwobei I die Bildfunktion ist, so dass lokale farbmetrische Differenzen zwischen benachbarten Messorten erfasst und dabei partielle dLab*-Werte und dLCH*-Werte erhalten werden, (iii) aus den erhaltenen partiellen dLab*-Werten und dLCH*-Werten die partiellen Farbtonabstände jedes Messorts zu seinen benachbarten Messorten mit Hilfe einer Farbtonabstandsformel berechnet werden, (iv) auf die ermittelten partiellen Farbtonabstände eine Non-maximum-Suppression angewendet wird, wobei ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wolkigkeit von Lackierungen auf Prüftafeln. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Verfahrens zur Messung der Wolkigkeit von Automobil-Lackierungen.
Bei einer Lackierung, insbesondere bei einer Automobillackierung, stellt die Oberflächenqualität neben den klassischen Gebrauchseigenschaften wie Steinschlagfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Kratzfestigkeit das primäre Qualitätskriterium dar. Sie kann insbesondere im Automobilsektor die Kaufentscheidung des Kunden stark beeinflussen, dann die lackierte Oberfläche ist zusammen mit der Form ausschlaggebend für den ersten Eindruck, den der Kunde zum Beispiel von seinem neuen Auto gewinnt.
Für die Entwicklung und Qualitätskontrolle von Lacken und Applikationsverfahren ist es daher erforderlich, die Oberflächenqualität der damit erzielbaren Lackierungen zu analysieren. Zu diesem Zweck werden in der Regel Probebeschichtungen hergestellt, für die sich die Bezeichnung ”Prüftafel” eingebürgert hat, da der probeweise beschichtete Gegenstand häufig plattenförmig ist. Es gibt jedoch auch verschieden stark gekrümmte ”Prüftafeln”, z. B. wenn Teile von Autokarosserien verwendet werden oder wenn gerade die Lackelgenschaften in Krümmungszonen untersucht werden sollen.
Ein wichtiger Faktor der Oberflächenqualität einer Lackierung ist das Ausmaß ihrer Wolkigkeit. Unter der Wolkigkeit einer Lackierung versteht man nach EN ISO 4818:2006 das uneinheitliche Aussehen einer Lackierung, verursacht durch unregelmäßige, willkürlich auf der Oberfläche verteilte Bereiche, die sich in Farbe und/oder Glanz unterscheiden. Eine derartige, fleckenähnliche Inhomogenität stört den gleichmäßigen Gesamteindruck der Lackierung und ist in der Regel unerwünscht. Die unerwünschte Wolkigkeit der Lackierung kann beispielsweise durch die Eigenschaften der verwendeten Beschichtungszusammensetzung (Lack) und/oder des angewendeten Applikationsverfahrens bedingt sein.
Daher ist es erforderlich, bei der Entwicklung und Qualitätskontrolle von Lacken und Applikationsverfahren die Wolkigkeit der damit erzielten Lackierungen zu analysieren.
Aus dem Stand der Technik sind dazu verschiedene Methoden bekennt. Üblicherweise erfolgt eine visuelle Beurteilung der Wolkigkeit unter definierten Lichtverhältnissen. Der Prüfer versucht hierbei zum Beispiel, verschiedene Basislackfarben und/oder Muster gleicher Farbe zu benoten oder in eine Reihenfolge zu sortieren. Dazu muss er die Prüftafeln mit den entsprechenden Lackierungen unter verschiedenen Winkeln betrachten, die Helligkeits- und Farbunterschiede unter jedem Winkel bewerten, und anschließend sein Gesamtergebnis festlegen. Dieser Prozess ist sehr fehleranfällig und führt häufig zur Falschbewertung von Lackmustern. Gerade die Bewertung der Farbtonstabilität (Farbkoordinaten a*, b*) ist visuell nur sehr schwer möglich, wohingegen Helligkeitsunterschiede (Farbkoordinate L*) visuell besser wahrgenommen werden können.
In der Patentanmeldung WO 98/14778 A1 wird ein Verfahren zur Vermessung von lackierten Prüftafeln beschrieben, wobei die Prüftafeln von einer Greif- und Bewegungsvorrichtung, beispielsweise einem Labor-Roboter, in eine Messstation überführt werden. In der Messstation wird durch den Labor-Roboter mit verschiedenen Messgeräten eine Vermessung unterschiedlicher Eigenschaften der Beschichtung durchgeführt. Beispielsweise können Schichtdicke, Verlauf, Farbton, die Farbkoordinaten L* (Helligkeit), a* (Rot-Grün), b* (Gelb-Blau), Härte, Haze und/oder der Glanz der Prüftafeln vermessen werden. Soll beispielsweise die Wolkenbildung bei Metallic-Lackierungen bestimmt werden, so ist es gemäß der WO 98/14778 A1 von Vorteil, ein Farbmessgerät zu benutzen, welches die Farbkoordinaten L*, a*, b* liefert, bevorzugt unter verschiedenen Beobachtungswinkeln. Im Ausführungsbeispiel der WO 98/14778 A1 wird anhand der Messung der Helligkeit (Farbkoordinate L*) von Lackfilmen gezeigt, dass die zwar visuell deutlich wahrnehmbaren Unterschiede in der Wolkigkeit zwischen den Lackfilmen unter einem Beobachtungswinkel von 25° jedoch nicht detektiert werden konnten, sondern erst unter Beobachtungswinkeln von 45° und/oder 75°. Dieses Ergebnis belegt laut WO 98/14778 A1 die Notwendigkeit einer vollständigen Messdatenbestimmung. Es wird in der WO 98/14778 A1 jedoch nicht dargelegt, auf welche Weise die Wolkigkeit einer Beschichtung nun zuverlässig detektiert werden kann. Insbesondere wird nicht dargelegt, wie aus der vorgeschlagenen ”vollständigen Messdatenbestimmung” ein Maß für die Wolkigkeit der Beschichtung erhalten werden kann.
Voyé (Farbe und Lack (2000), 106 (10), S. 34–40) stellt ebenfalls die Existenz dieses Problems fest. Der Artikel beschreibt ein automatisiertes Analysesystem zur Bestimmung von Oberflächendaten wie z. B. der Helligkeit (Farbkoordinate L) und Bewertung von Lackoberflächen. Hiermit können insbesondere Lackchargen überprüft werden. Eine visuell erkennbare Wolkenbildung wird jedoch in dem automatisierten Verfahren noch nicht ausreichend erkannt (S. 39, letzter Absatz). Insbesondere die Entwicklung geeigneter Auswertungs-Algorithmen zur Analyse der Oberflächenmessdaten stellt daher eine weitere Herausforderung dar (S. 40, letzte Spalte). Die bekannten Verfahren zur Instrumentellen Baurteilung der Wolkigkeit liefern also noch keine zuverlässigen und zufrieden stellenden Ergebnisse.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, das seit langem bekannte Problem zu lösen und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Wolkigkeit von Lackierungen auf Prüftafeln Instrumentell bestimmt werden kann. Das Verfahren soll insbesondere zur Messung der Wolkigkeit von farbgebenden und von effektgebenden Lackierungen, wie z. B. Metallic-Lackierungen, geeignet sein. Weiterhin soll das Verfahren automatisierbar sein und eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse aufweisen.
Diese Aufgabe wird überraschenderweise durch ein Verfahren zur Messung der Wolkigkeit von Lackierungen auf Prüftafeln mittels Messung der Farbkoordinaten L*, a* und b* an jeweils mindestens 100 verschiedenen Messorten auf einer Prüftafel unter jeweils mindestens 3 verschiedenen Beobachtungswinkeln w, wobei

(i) auf jede Gruppe n von Messwerten, die unter einem bestimmten Beobachtungswinkel w für eine bestimmte Farbkoordinate F* (F* = L*, a* oder b*) an verschiedenen Messorten mit den Ortskoordinaten (x, y) erhalten wurden, das Gauß'sche Glättungsfilter mit der Formel

angewendet wird, so dass geglättete Messwerte n_g erhalten werden,
(ii) auf jede Gruppe n_g von geglätteten Messwerten der Sobel-Operator mit der Formel
angewendet wird, so dass partielle dLab*-Werte und dLCH*-Werte erhalten werden,
(iii) aus den erhaltenen partiellen dLab*-Werte und dLCH*-Werten die partiellen Farbtonabstände jedes Messpunkts zu seinen benachbarten Messpunkten mit Hilfe einer Farbtonabstandsformel berechnet werden,
(iv) auf die ermittelten partiellen Farbtonabstände eine Non-maximum-Suppression der Formel
angewendet wird, so dass korrigierte partielle Farbtonabstände erhalten werden, und
(v) aus den so erhaltenen korrigierten partiellen Farbtonabständen der Homogenitäts-Index HI
berechnet wird und als Maß für die Wolkigkeit der Lackierung dient, gelöst.

Die dE > 0,35 Grenze ist variabel und kann angepasst werden. Sie liegt vorzugsweise zwischen 0,2–1 und kann dem visuellen Eindruck angepasst werden. Die log Basis ist ebenfalls variabel und kann dem visuellen Eindruck angepasst werden. Sie liegt vorzugsweise im Bereich 1,1–3.
Die zu messenden Farbkoordinaten L*, a* und b* entsprechen den Koordinaten des CIELab-Farbenraums der CIE (Commission Internationale de I'éclairage, Internationale Beleuchtungskommission). Sie werden auch Farbmaßzahlen genannt. Die Koordinate L* beschreibt die Helligkeit des Farbtons, d. h. die Lage des Farbtons auf der Helligkeitsachse. Die Koordinaten a* und b* beschreiben die Lage des Farbtons im Farbenraum auf einer Achse zwischen Rot und Grün (a*) bzw. auf einer Achse zwischen Blau und Gelb (b*).
Die Messung der Farbkoordinaten L*, a* und b* kann mittels dem Fachmann bekannter und geeigneter Methoden erfolgen. Als Farbmessgeräte können beispielsweise Spektralphotometer, insbesondere Mehrwinkelspektralphotometer eingesetzt werden. Geeignete Instrumente sind beispielsweise die Geräte MA60 oder MA68 oder MA68 II der Firma X-Rite^®.
Vorzugsweise wird die Messung der Farbkoordinaten L*, a* und b* dabei mittels eines automatisierten Messverfahrens durchgeführt. Dies bedeutet, dass mindestens ein Teil der erforderlichen Messungen auf der Prüftafel in einer entsprechenden technischen Vorrichtung automatisch ausgeführt wird, ohne dass es eines manuellen Eingriffs in den Messvorgang bedarf. Beispielsweise kann die Bestimmung der Farbkoordinaten nacheinander oder gleichzeitig an verschiedenen Messorten auf der Prüftafel erfolgen, ohne dass die Prüftafel dazu aus der Messvorrichtung entnommen oder manuell neu orientiert werden muss. Dies kann durch eine geeignete automatische Messvorrichtung (z. B. Labor-Roboter mit Messstation) ermöglicht werden, wie sie zum Beispiel in der Patentanmeldung WO 88/14778 A1 beschrieben ist. Die erhaltenen Messdaten werden vorzugsweise elektronisch erfasst, gespeichert, ausgewertet und/oder dargestellt.
Die Messung der Farbkoordinaten L*, a* und b* erfolgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren an jeweils mindestens 100 verschiedenen Messorten auf der Prüftafel. Vorzugsweise erfolgt die Messung an jeweils mindestens 150 verschiedenen Messorten, bevorzugt an jeweils mindestens 184 und ganz besonders bevorzugt an jeweils 500 bis 800 verschiedenen Messorten auf der Prüftafel. Die einzelnen Messorte weisen dabei einen Mindestabstand von 0,5 cm und einen Höchstabstand von 2 cm voneinander auf. Bevorzugt weisen die Messorte einen Abstand von 0,8 cm bis 1,5 cm voneinander auf. Vorzugsweise liegen die Messorte innerhalb einer Fläche von 200 × 500 mm auf der Prüftafel. Ganz besondere bevorzugt sind die verschiedenen Messorte in einem rechtwinkligen Raster in einem Abstand von jeweils 1–1,5 cm in Richtung der beiden senkrecht zueinander stehenden Achsen des Rasters voneinander angeordnet.
Zu jedem Messwert wird der zugehörige Messort auf der Prüftafel durch Ortskoordinaten festgehalten, beispielsweise durch ein rechtwinkliges Raster (Koordinatensystem) mit den Koordinaten x und y, die jeden Ort auf der Prüftafel eindeutig beschreiben.
Die Messung der Farbkoordinaten L*, a* und b* an den Messorten erfolgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren unter jeweils mindestens 3 verschiedenen Beobachtungswinkeln, bevorzugt unter den Beobachtungswinkeln von 25°, 45° und 75°. Vorzugsweise erfolgt die Messung unter jeweils mindestens 4 Beobachtungswinkeln, besonders bevorzugt unter jeweils mindestens 5 verschiedenen Beobachtungswinkeln. Die einzelnen Beobachtungswinkel unterscheiden sich dabei um jeweils mindestens 10°. Vorzugsweise erfolgt die Messung der Farbkoordinaten jeweils unter den Beobachtungswinkeln von 25°, 45° und 75°. Besonders bevorzugt erfolgt die Messung der Farbkoordinaten unter jeweils 5 Beobachtungswinkeln, vorzugsweise jeweils unter 10°–19°, 20°–30°, 40°–50°, 70°–80° und 105°–115°, ganz besonders bevorzugt unter 15°, 25°, 45°, 75° und 110°. Die Beleuchtung erfolgt vorzugsweise gerichtet unter einem Beleuchtungswinkel (Einfallswinkel) von 45°.
Auf jede Gruppe von n Messwerten, die unter jeweils einem bestimmten von Insgesamt m verschiedenen Beobachtungswinkeln (w₁, w₂, ...., w_m) für eine bestimmte Farbkoordinate F* (F* = L*, a* oder b*) an verschiedenen Messorten (mit den Ortskoordinaten x, y) erhalten wurden, wird nun ein Gauß'sches Glättungsfilter angewandt. Das Gauß-Filter ist ein Nachbarschaftsoperator, welcher auf einer zweidimensionalen Gaußfunktion basiert. Mathematisch ist das Gauß-Filter eine Funktion der Ortskoordinaten des Bildpunkts der Eingabematrix (x, y) und der Standardabweichung σ:
Glättung bedeutet in diesem Fall, dass man durch Anwendung des Filters Messrauschen unterdrücken kann. Einstellbar wird die Funktion durch Wahl der Standardabweichung σ und des Filterradius, welcher durch die Größe der verwendeten Matrix definiert ist. Um das Gauß'sche Filter in einer Programmroutine nutzbar machen zu können, bedient man sich einer Gauß-Matrix, welche man durch Diskretisierung der 2D-Normalverteilung auf eine 3×3-Matrix erhält. Unter Berücksichtigung der Normierung auf die Ausgangsgröße gilt:
Auf jede Gruppe von n_g geglätteten Messwerten, die unter jeweils einem bestimmten der 5 verschiedenen Beobachtungswinkeln (w = 15°, 25°, 45°, 75° oder 110°) für eine bestimmte Farbkoordinate F* (F* = L*, a* oder b*) an verschiedenen Messorten (mit den Ortskoordinaten x, y) nach Glättung mit dem Gauß-Filter erhalten wurden, wird nun ein Sobel-Operator, beispielsweise ein zweidimensional wirkender Sobel-Operator, angewandt. Der Sobel-Operator ist ein Kantendetektionsfilter, der u. a. in der Bildverarbeitung Anwendung findet und dort mit Hilfe der Faltung als Algorithmus eingesetzt wird. Dieser liefert die erste Ableitung der Bildpunktwerte, wobei gleichzeitig orthogonal zur Ableitungsrichtung geglättet wird. Der Vorteil des Sobel-Operators im Vergleich zum Prewitt-Operator liegt darin, dass man hier eine stärkere Gewichtung der zentralen Matrixspalte bzw. -zelle erhält. Um nicht nur Kanten in eine Richtung zu detektieren, verwendet man beim Sobel-Operator einen Spalten- und einen Zellenoperator. Die folgenden Matrizen zeigen diese Operatoren am Beispiel einer 3×3-Matrix:
Gegeben durch die Bildfunktion I (x, y) kann man mit Hilfe der Sobel-Operatoren H^S _x und H^S _y die Gradientenbilder G berechnen:
Ein richtungsabhängiges Gradientenbild und somit die Gesamtgradientenstärke erhält man durch Bildung des euklidischen Betrags beider Gradientenbilder:
Durch die Verwendung des Sobel-Operators werden, vereinfacht gesprochen, lokale farbmetrische Differenzen zwischen benachbarten Messpunkten erfasst. Dabei werden partielle dLab*-Werte und dLCH*-Werte erhalten.
Aus den erhaltenen partiellen dLab*-Werte und dLCH*-Werten werden nun die Farbtonabstände jedes Messpunkts zu seinen benachbarten Messpunkten berechnet. Hierzu können verschiedene Farbtonabstandsformeln verwendet werden.
Es kann beispielsweise die Farbtonabstandsformel nach DIN 6174 angewendet werden. Die DIN-Norm 6174 ”Farbmetrische Bestimmung von Farbabständen nach der CIELAB-Formel” liefert die Grundlage für Farbabstandsberechnungen von Lackierungen. Die Farbtonabstandsformel nach DIN 6174 lautet:
Zur Differenzbildung werden die jeweiligen Farbmaßzahlen eines Bezugswertes B von den zugehörigen Werten der Probe P subtrahiert:
Für bestimmte Anwendungsgebiete ist alternativ eine Berechnung des Farbabstands anhand der Differenzen der Polarkoordinaten sinnvoll und kann folgendermaßen formuliert werden:
Alternativ zur DIN 6174 kann auch die Farbabstandsformel für Effektlacke nach DIN 6175-2 angewendet werden. Diese ist besser an die menschliche Wahrnehmung von Farbtondifferenzen angepasst, in welcher nämlich Farbdifferenzen nicht notwendigerweise äquidistant empfunden werden. Aus diesem Grund wurden Toleranz- und Gewichtungsparameter eingeführt, die dieses Problem lösen. Aufgrund von anisotropem Remissionsverhalten bei Effektlackierungen können Effektfarbtöne oft nicht hinreichend beschrieben werden. Die Norm gibt an dieser Stelle keine Vorgaben, welche Betrachtungswinkel zu wählen sind. In der Automobilindustrie haben sich Betrachtungswinkel γ von 15°, 25°, 45°, 75° und 110°, bezogen auf den Glanzwinkel, durchgesetzt. In den folgenden drei Gleichungen wird der jeweilige Betrachtungswinkel dimensionslos eingesetzt:
Die Werte für S_c(y) und S_H(Y) dürfen nach Festlegung der DIN nicht kleiner als 0,7 sein. Bei Effektlackierungen unterscheidet man zwischen dem Bereich unbunter bzw. pastelliger Farben und dem der bunten Farben. Die DIN 6175-2 stellt für den unbunten Bereich und den Buntbereich folgende Farbabstandsformeln zur Verfügung:
In Erweiterung zur Bunt-/Unbuntgrenze bei Uni-Farbtönen gilt nun, dass der Unbuntbereich für C*_ab bei Werten unterhalb von 10 Einheiten, bzw. für pastellige Farben unterhalb von 18 liegt, wobei jedoch die Helligkeit 27 Einheiten nicht unterschreiten darf. In diesem Fall werden die Farbabstände ΔE'_ab(y) nach der Formel ”(I) unbunt” berechnet. Im Fall der bunten Farben, definiert durch C*_ab ≥ 10, wobei der Bereich C*_ab < 18 und L* > 27 für pastellige Farben ausgeschlossen ist, werden die Farbabstände ΔE'_CH(y) nach der Formel ”(II) bunt” berechnet. Die Werte für S_a und S_b werden in der DIN 6175-2 auf 0,7 festgelegt. Bei S_a und S_b handelt es sich um Chargentoleranzen S,-welche auf Basis von Chargentafeln durch visuelle Abmusterung bestimmt wurden.
Beide Gleichungen enthalten die zusätzlichen Faktoren gL, ga, gb, gc und gh. Hierbai handelt es sich um Serientoleranzen, und zwar je nach Anwendungsfall um Produktionsfaktoren oder um Anwendungsfaktoren nach der untenstehenden Tabelle. Für Lackhersteller gilt der erste Fall, so dass alle Anwendungsfaktoren dem Wert 1 entsprechen.

Anwendungsfall gL ga gb gc Gh

Charge (Lackherstellung) 1 1 1 1 1

Produktionsfaktoren 2,0 1,2 1,2 1,6 1,2
Da die Farben bei verschiedenen Effektwinkeln im bunten wie auch im unbunten Farbtonbereich liegen können, müssten beide Formeln verwendet werden. Sie führen jedoch an der ”Nahtstelle” nicht zu identischen Ergebnissen, da sie im Übergang nicht stetig verlaufen. Um diesen kritischen Bereich zu glätten und eine Funktion zu erhalten, welche nach den Bedingungen der Gültigkeitsparameter der Farbabstandsformeln verläuft, verwendet man eine Sigmoidfunktion, auch Schwanenhalsfunktion genannt:
Die Norm empfiehlt in jedem Falle die Anwendung der genannten Sigmoidfunktion (Schwanenhalsfunktion), da in vielen Fällen die Entscheidung für die entsprechende Formel ΔE'_ab(y) oder ΔE'_CH(y) vorab nicht eindeutig getroffen werden kann.
Eine dritte Farbtonabstandsformel, die angewendet werden kann, ist die Farbabstandsformel mit Gewichtung nach AUDI. Die AUDI-Farbabstandsformel ist nahezu identisch zur DIN 6175-2. Der wesentliche Unterschied liegt in der Berechnung der Gewichtungsfaktoren. Da die Gewichtungsfaktoren der früher entwickelten AUDI-Formel im Rahmen der späteren Erstellung der DIN 6175-2 mit dem Faktor 2^–0,5 multipliziert wurden, sind diese somit in der DIN 6175-2 in allen numerischen Werten durch 2^–0,5 zu dividieren, um die folgende AUDI-Formel zu erhalten:
Die Gewichtungsfaktoren für Sa und Sb werden im Gegensatz zur DIN 6175-2 auf 0,5 festgesetzt.
Das Ergebnis der Berechnung der Farbtonabstände ist die Darstellung eines partiellen Farbtonabstands für jeden Messpunkt in Relation zu seinen umliegenden Messpunkten für jede Farbkoordinate und jeden Beobachtungswinkel.
Die erhaltenen Daten können jeweils graphisch dargestellt werden. Beispielsweise kann jede Gruppe von n Messwerten, die unter jeweils einem bestimmten der 5 verschiedenen Beobachtungswinkeln (w = 15°, 25°, 45°, 75° oder 110°) für eine bestimmte Farbkoordinate F* (F* = L*, a* oder b*) an verschiedenen Messorten (mit den Ortskoordinaten x, y) erhalten wurden, in einer zweidimensionalen Graphik aufgetragen werden (z. B. Messwerte zu einer bestimmten Farbkoordinate F* unter einem bestimmten Beobachtungswinkel w gegen eine der Ortskoordinaten x oder y). Insbesondere können die Messwerte auch in einer dreidimensionalen Graphik dargestellt werden (z. B. Messwerte zu einer bestimmten Farbkoordinate F* unter einem bestimmten Beobachtungswinkel w gegen beide Ortskoordinaten x und y).
Die graphische Darstellung kann für alle Stadien des oben und im folgenden beschriebenen Auswertevorgangs erfolgen. Es können also beispielsweise die unmittelbar erhaltenen Messwerte vor Anwendung des Gauß-Filters dargestellt werden. Es können auch die geglätteten Werte nach anschließender Anwendung des Gauß-Filters dargestellt werden. Es können auch die lokalen farbmetrischen Differenzen zwischen benachbarten Messpunkten (partielle dLab*-Werte und dLCH*-Werte), die durch die anschließende Verwendung des Sobel-Operators werden, dargestellt werden. Es können auch die Farbtonabstände, die nach der anschließenden Berechnung mit einer der Farbabstandsformeln erhalten werden, dargestellt werden. Auch die sich im weiteren Verfahren ergebenden Daten können auf die beschriebene Weise zweidimensional (Gruppe von n Daten bezogen auf eine Ortskoordinate der zugehörigen Messorte) oder dreidimensional (Gruppe von n Daten bezogen auf beide Ortskoordinaten der zugehörigen Messorte) graphisch dargestellt werden. Bevorzugt wird die dreidimensionale Darstellung. Dabei kann insbesondere auch ein Oberflächendiagramm erhalten werden, in welchem die vermessene Oberfläche mit den Ortskoordinaten x und y dargestellt ist und die erhaltenen Daten ortsgetreu farbkodiert wiedergegeben werden.
Die graphische Darstellung vermittelt einen optischen Eindruck der erhaltenen Daten, der mit der visuellen Wahrnehmung der Lackierung auf der Prüftafel verglichen werden kann und der zur erleichterten, verbesserten Bestimmung der Wolkigkeit einer Lackierung herangezogen werden kann. Es können beispielsweise so genannte Kanten (Stellen mit abrupter Änderung des Wertes einer bestimmten Farbkoordinate unter einem bestimmten Beobachtungswinkel, z. B. der Helligkeit) identifiziert werden. Kanten sind per Definition Stellen mit abrupter Änderung der Bezugsgröße. Flächenbezogen stellen sie prägnante Bildmerkmale dar. Mathematisch betrachtet sind Kanten lokal starke Intensitätsänderungen entlang einer Richtung. Bei Betrachtung der Bildfunktion zeigen sich Kanten als lokale Maxima der ersten Ableitung.
Werden beispielsweise die Farbtonabstände, die nach der oben beschriebenen Berechnung mit einer der Farbabstandsformeln erhalten werden, graphisch dargestellt, so zeigen sich häufig Kanten mit einem gebirgskammähnlichen Gradienten. Bedingt durch die Sobel-Operator-Größe und seine Schrittweite kann es hier also zur Mehrfachdetektion von Kanten kommen. Definitionsgemäß steht der Gradient rechtwinklig zu einer Kante im Bild und hat den größten Betrag im Mittel der Kante. Werden nun entlang einer Kante nur die Bildpunkte mit dem größten Gradienten ausgewählt, so erhält man den exakten, nur einen Bildpunkt breiten Verlauf der Kante. Um dies zu erreichen, wird eine Non-maximum-Suppression durchgeführt. Hierbei werden diejenigen Bildpunkte ausgewählt, die auf dem Kamm des Gradienten liegen, und diejenigen Bildpunkte unterdrückt, die dieses Kriterium nicht erfüllen. Mathematisch stellt die Non-maximum-Suppression die Reduktion der Gradientenverläufe auf lokale Maxima dar.
Die Non-maximum-Suppression kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass zunächst die Gradientenrichtung im aktuellen Bildpunkt berechnet wird. Die oben beschriebene Anwendung des Sobel-Operators resultiert in zwei Gradienten in x- und y-Richtung. Aus dem Verhältnis beider Gradienten lässt sich nun eine Lageaussage der Kante treffen:
Das Ergebnis ist die Lage der Kante durch den aktuellen Bildpunkt, die entweder parallel zur x-Richtung, parallel zur y-Richtung oder jeweils im 45°-Winkel dazu liegen kann. Durch Prüfung der benachbarten Bildpunkte des ausgewählten Bildpunkts auf möglicherweise größere Gradientenbeträge lässt sich nun feststellen, ob es sich bei dem ausgewählten Bildpunkt um ein lokales Maximum handelt. Dazu wählt man also die Bildpunkte, die sich orthogonal zur ermittelten Gradientenrichtung befinden, und prüft, ob einer der beiden einen größeren Gradientenbetrag als den des ursprünglich ausgewählten Bildpunktes aufweist. Falls ja, wird der ursprünglich ausgewählte Bildpunkt unterdrückt.
Das Ergebnis der Non-maximum-Suppression sind korrigierte partielle Farbtonabstände, deren graphische Darstellung nunmehr sogenannte ausgedünnte Kanten aufweist. Man ist somit in der Lage, die Mehrfachdetektion aus dem Sobel-Operator zu kompensieren. Es liegen nur noch die Maxima der Gradienten, d. h. die ausgedünnten Kanten an der entsprechenden Position vor. Die Kanten werden somit auf die Breite eines Messpunkts reduziert.
In der graphischen Darstellung, insbesondere in einer farbkodierten Darstellung der Farbtonabstände in einem x, y-Oberflächendiagramm der Messorte, werden dadurch scharf umrandete ”Wolken” erkennbar, d. h. Bereiche von Messorten, an denen der lokale Farbtonabstand einen höheren Betrag als den der Umgebung aufweist.
Ziel das Verfahrens ist unter anderem die Quantifizierung der Farbtoninhomogenität (Wolkigkeit) durch einen Index. Aus den als Formationen von Messorten mit lokal großen Farbtonabständen sichtbaren Wolken kann daher in einem nächsten Schritt ein Index erstellt werden. Dazu kann die Darstellung der partiellen Farbtonabstandswerte in einem farbkodierten 2D-Oberflächendiagramm beibehalten werden.
Der Homogenitäts-Index HI ist eine Funktion des Betrags der Farbtonabstände, die über einem bestimmten Schwellenwert liegen: HI = f(dE', n') mit dE' = Farbtonabstand und n' = Anzahl der Messorte mit einem Farbtonabstand über einem bestimmten Schwellenwert. Für den Homogenitäts-Index gilt also, dass er umso stärker ausgeprägt ist, je mehr Messorte lokal große Farbtonabstände über einem bestimmten Schwellenwert aufweisen, und je höher der Absolutbetrag dieser Farbtonabstände ist. Als Schwellenwert kann ein Betrag des Farbtonabstands festgelegt werden, unterhalb dessen eine Farbtoninhomogenität visuell nicht mehr hinreichend genau wahrgenommen werden kann. Nach dem Weber-Fechner-Gesetz ist die Stärke der visuellen Empfindung logarithmisch zur physikalischen Relzstärke. In der Praxis haben sich für die Berechnung des gesuchten Index bei logarithmischer Darstellung Farbtonabstands-Schwellenwerte von ca. dE' = 0,35–0,4 Einheiten als sinnvoll erwiesen, um eine optimale Korrelation mit dem visuellen Farbtonabstandsempfinden zu erzielen.
Der Homogenitätsindex HI wird daher definiert als
Der Homogenitäts-Index HI dient als Maß für die Wolkigkeit der Lackierung. Je größer HI, desto größer ist auch die Wolkigkeit der Lackierung.
Der Wert von HI als Maß für die Wolkigkeit einer Lackierung weist eine hohe Reproduzierbarkeit auf. Bei einer Wiederholung der Analyse unter erneuter Messung der Farbkoordinaten L*, a* und b* unter den gleichen Beobachtungswinkeln und erneuter Auswertung der Messdaten liegt die Abweichung für HI in der Regel unter ±0,3 Einheiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die automatisierbare, instrumentelle Bestimmung der Wolkigkeit von Lackierungen auf Prüftafeln unter hoher Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich weiterhin zur Bestimmung der Wolkigkeit von farbgebenden und von effektgebenden Lackierungen, wie z. B. Metallic-Lackierungen. Außerdem liefert das Verfahren Ergebnisse, die gut mit dem tatsächlichen visuellen Eindruck der Wolkigkeit einer Lackierung korrelieren.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Lackierungen auf den Prüftafeln um farbgebende und/oder effektgebende Lackierungen, besonders bevorzugt um effektgebende Metallic-Lackierungen. Unter farbgebenden Lackierungen werden Lackierungen verstanden, die aus einer pigmenthaltigen Beschichtungszusammensetzung gewonnen wurden. Sie enthalten beispielsweise Weiß-, Bunt- und/oder Schwarzpigmente. Effektgebende Lackierungen enthalten dementsprechend Effektpigmente, wie beispielsweise Periglanz- oder Metalleffekt-Pigmente. Sowohl farbgebende als auch effektgebende Lackierungen können auch im Rahmen einer Mehrschichtlackierung vorliegen. Dabei kann die farb- und/oder effektgebende Lackierung die oberste Schicht der Mehrschichtlackierung darstellen, oder aber unter einer Klarlackschicht liegen. In allen diesen Fällen ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Wolkigkeit der Lackierung geeignet.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Verfahrens zur Messung der Wolkigkeit von Automobillackierungen.
Unter Automobillackierungen werden Lackierungen verstanden, die aus Beschichtungszusammensetzungen erhalten wurden, welche für die Automobil-Erstlackierung, insbesondere -Serienlackierung (OEM), und/oder Automobil-Reparaturlackierung geeignet sind. Die Automobilackierungen können beispielsweise auf Prüftafeln, Karosserieteilen oder Karosserien vorliegen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Automobillackierungen um farb- und/oder effektgebende Lackierungen, besonders bevorzugt um Metallic-Lackierungen. Die Lackierungen können auch im Rahmen einer Mehrschicht-Lackierung vorliegen.
Das Verfahren kann beispielsweise bei der Entwicklung verbesserter Beschichtungsmaterialien, Beschichtungszusammensetzungen oder Applikationsverfahren für die Automobillackierung eingesetzt werden, um die Wolkigkeit der erzielten Lackierungen in Abhängigkeit von den veränderten Versuchsparametern zu erfassen. Daneben kann beispielsweise auch die Wolkigkeit der mit einer bestimmten Lackcharge und/oder einem definierten Applikationsprozess erzielten Lackierung im Rahmen einer Qualitätskontrolle überprüft werden.
Im folgenden wird die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Beispiel
1) Herstellung der Prüftafeln

Es wurden Prüftafeln mit einer Lackierung und folgenden Parametern hergestellt.

Beschreibung:	Basislack	Basislack	Klarlack
Material:	wässrig	wässrig	Konventionell
Produkt:	n. Angabe	n. Angabe	n. Angabe
Verwendetes Substrat:	Coil	Coil	Coil
Zerstäuber:	ECO-Bell Außen	Pneumat	Hand
Düse:	1,2	1,4
Glockentyp:	36 (DÜRR)
Luftkappe:		797
Applikationsart:	ESTA	Pneumat
Drehzahl (U/min.):	45000
Ausflußrate (ml):	300	250
Lankluft (NL):	130,0
Hochspannung (KV)	70
Bandgeschw. (m/s):**	0,58	0,98
Objektabstand (cm):	25	30
Endlage oben:	0	0
Endlage unten:	1080	1080
Raster (mm):	120	60
Hornluft (NL/min.):		200
Zerstäuberluft (NL/min.):		150
Schichtdicke (μm):	8–9	4–5	40–45
Anzahl Aufträge:	1	1	1
Zwischenabluftzeit (s):	120
Endablüftzeit (min.):		3	10
Vortrocknung (min./°C):		5/80
Einbrennen (min./°C):			20/140
Kabinentemperatur (°C):	23	23	23
Luftfeuchte (rel. %):	65	65	65

Abweichend zu den oben genannten Applikationsparametern sind zusätzlich die folgenden Vergleichsversuche hergestellt worden. Die Parameter der pneumatischen Applikation sind wie folgt verändert worden, wobei Versuch 5 die Standardbedingungen darstellt:

Versuch Ausflussrate ml/min Hornluft NL

1 375 300

2 125 300

3 125 100

4 375 100

5 250 200
2) Ermittlung der Messwerte
Die Wolkigkeit der erhaltenen Lackierungen wurde mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst. Hierzu wurde eine automatische Messvorrichtung gemäß WO 98/14778 A1 mit einem Winkelspektralphotometer der Firma X-Rite^® (MA 68 II) eingesetzt. Die Farbkoordinaten L*, a* und b* wurden jeweils unter 5 verschiedenen Beobachtungswinkeln (15°, 25°, 45°, 75°, 110°) an jeweils 675 verschiedenen Messpunkten auf der lackierten Prüftafel gemessen. Die Messpunkte lagen in einem rechtwinkligen Abstandsraster von 1,0 cm × 1,0 cm auf einer Fläche von 450 × 150 cm der Prüftafel. Die Anzahl der erhaltenen Messwerte pro Prüftafel betrug somit 3 (Anzahl der Farbkoordinaten F* = L*, a* oder b*) × 5 (Anzahl der Beobachtungswinkel w = 15°, 26°, 45°, 75° oder 110°) × 675 (Anzahl der Messpunkte pro Prüftafel) = 10125 Messwerte pro Prüftafel.
Zu jedem der 10125 Messwerte pro Prüftafel wurde die Lage des jeweiligen Messpunkts auf der Prüftafel durch Angabe der Ortskoordinaten x und y des Abstandsrasters festgehalten.
3) Glätten der Messwerte mit Hilfe einer Gauß-Matrix
Auf jede Gruppe von n Messwerten, die unter jeweils einem bestimmten der 5 verschiedenen Beobachtungswinkeln (w = 15°, 25°, 45°, 75° oder 110°) für eine bestimmte Farbkoordinate F* (F* = L*, a* oder b*) an verschiedenen Messorten (mit den Ortskoordinaten x, y) erhalten wurden, wurde nun ein Gauß'sches Glättungsfilter mit der folgenden Gauß-Matrix angewandt:
Dabei wurde also der jeweils im Zentrum des Operators stehende Messwert durch die benachbarten 8 Messwerte entsprechend der Gewichtungen korrigiert. Vereinfacht ausgedrückt wurde dabei also das gewichtete (vgl. obige Gauß-Matrix) arithmetische Mittel gebildet. Die geglätteten Messwerte wiesen einen stetigeren Verlauf als die Rohdaten auf.
4) Bestimmung lokaler farbmetrischer Gradienten mittels Sobel-Operator
Auf jede Gruppe von n geglätteten Messwerten, die unter jeweils einem bestimmten der 5 verschiedenen Beobachtungswinkeln (w = 15°, 25°, 45°, 75° oder 110°) für eine bestimmte Farbkoordinate F* (F* = L*, a* oder b*) an verschiedenen Messorten (mit den Ortskoordinaten x, y) erhalten wurden, wurde nun ein zweidimensional wirkender Sobel-Operator angewandt, um die partiellen Differenzen pro Messpunkt, Beobachtungswinkel und Farbmaßzahl zu ermitteln:
Dabei wurden also, vereinfacht gesprochen, lokale farbmetrische Differenzen zwischen benachbarten Messpunkten erfasst.
5) Berechnung der Farbtonabstände
Aus den partiellen dLab*- und dLCH*-Werten, die mit Hilfe des Sobel-Operators erhalten wurden, wurden nun für jeden Messpunkt und Beobachtungswinkel der Farbtonabstand zu den jeweils benachbarten Messpunkten ermittelt. Dies erfolgte mittels der AUDI-Farbabstandsformel:
Als Ergebnis wurden die Farbtonabstände der einzelnen Messpunkte zu ihrer jeweiligen Umgebung unter dem jeweiligen Beobachtungswinkel erhalten.
Die erhaltenen Daten wurden graphisch dargestellt. Dazu wurde in einem 3D-Diagramm auf einer Achse der Farbtonabstand und auf den anderen beiden Achsen die Ortskoordinaten x und y aufgetragen. Des weiteren wurde hieraus ein korrenspondierendes Oberflächendiagramm erstellt, welches die vermessene Oberfläche mit den Koordinaten x und y darstellt und in welchem die erhaltenen Werte für den Farbtonabstand farbkodiert wiedergegeben sind. Die Stellen der abrupten Änderung des Farbtonabstands zeigen sich als Kanten, die mitunter recht breit sein konnten.
6) Non-maximum-Suppression
Die erhaltenen Daten wurden einer Non-maximum-Suppression unterworfen, um die Breite der Kanten auf die Breite jeweils eines Bildpunkts zu reduzieren:
In der graphischen Darstellung wurden dadurch scharf umrandete ”Wolken” erkennbar, d. h. Bereiche von Messorten, an denen der lokale Farbtonabstand einen höheren Betrag als den der Umgebung aufwies.
7) Berechnung des HI-Index
Aus den als Formationen von Messorten mit lokal großen Farbtonabständen sichtbaren Wolken wurde in einem nächsten Schritt ein Index erstellt. Dazu wunde die Darstellung der partiellen Farbtonabstandswerte in einem farbkodierten 2D-Oberflächendiagramm beibehalten. Der Homogenitäts-Index HI wurde wie folgt berechnet:
die berechneten Werte (HI) sind mit dE < 0,65 und log(1,3) berechnet worden.
Die Homogenitäts-Indizes (HI) weisen folgende Werte auf:

Bestimmtheitsmaß:

visuell 25* 0,82 0,52 0,71 0,43 0,639 0,7978

visuell 75* 0,81 0,48 0,87 0,6 0,765 0,9177
Aufgrund der nicht genau definierbaren Geometrie bei der visuellen Auswertung war nicht davon auszugehen, dass alle Winkel zur visuellen Auswertung korrelieren. Erfahrungsgemäß stimmen aber der 15° und 45° Winkel gut überein. Die wird durch das Bestimmtheitsmaß bestätigt. Bei einer Genauigkeit von +/–1 Note bei der visuellen Auswertung war mit einer besseren Korrelation nicht zu rechnen.

Claims

Verfahren zur Messung der Wolkigkeit von Lackierungen auf Prüftafeln unter Messung der Farbkoordinaten L*, a* und b* an jeweils mindestens 100 verschiedenen Messorten auf der Prüftafel unter jeweils mindestens 3 verschiedenen Beobachtungswinkeln w, dadurch gekennzeichnet, dass (i) auf jede Gruppe von n Messwerten, die unter einem bestimmten Beobachtungswinkel w für eine bestimmte Farbkoordinate F* = L*, a* oder b* an verschiedenen Messorten mit den Ortskoordinaten (x, y) erhalten wurden, das Gauß'sche Glättungsfilter mit der Formel
angewendet wird, so dass Gruppen von n_g geglätteten Messwerten erhalten werden, (ii) auf jede Gruppe von n_g geglätteten Messwerten die Sobel-Operatoren H S / x und H S / y wie folgt angewendet werden
wobei I die Bildfunktion ist, so dass lokale farbmetrische Differenzen zwischen benachbarten Messorten erfasst und dabei partielle dLab*-Werte und dLCH*-Werte erhalten werden, (iii) aus den erhaltenen partiellen dLab*-Werten und dLCH*-Werten die partiellen Farbtonabstände jedes Messorts zu seinen benachbarten Messorten mit Hilfe einer Farbtonabstandsformel berechnet werden, (iv) auf die ermittelten partiellen Farbtonabstände eine Non-maximum-Suppression angewendet wird, wobei • sich aus dem Verhältnis beider Gradienten eine Lageaussage der Kante treffen lässt:
wobei das Ergebnis die Lage der Kante durch den aktuellen Bildpunkt ist, die entweder parallel zur x-Richtung, parallel zur y-Richtung oder jeweils im 45°-Winkel dazu liegen kann • die Bildpunkte ausgewählt werden, die sich orthogonal zur ermittelten Gradientenrichtung befinden und • geprüft wird, ob eine der beiden einen größeren Gradientenbeitrag als den des ursprünglichen Bildpunktes aufweist und falls ja der ursprünglich ausgewählte Bildpunkt unterdrückt wird, so dass korrigierte partielle Farbtonabstände dE' erhalten werden, deren graphische Darstellung nunmehr sogenannte ausgedünnte Kanten ausweist, und (v) aus den so erhaltenen korrigierten partiellen Farbtonabständen dE' der Homogenitäts-Index HI = f(dE', n'), eine Funktion des Betrags der Farbtonabstände dE', die über einem bestimmten Schwellenwert liegen, und n' = Anzahl der Messorte mit einem Farbtonabstand über einem bestimmten Schwellenwert,
berechnet wird und als Maß für die Wolkigkeit der Lackierung dient.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Farbkoordinaten jeweils mindestens unter den Beobachtungswinkeln von 15°, 25° und 45° durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Farbkoordinaten mittels eines automatisierten Messverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Farbkoordinaten an 400 bis 2000 Messorten auf der Prüftafel durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Farbkoordinaten unter jeweils 4 bis 5 Beobachtungswinkeln durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Farbkoordinaten unter jeweils 5 Beobachtungswinkeln durchgeführt wird, vorzugsweise jeweils unter 10°–19°, 20°–30°, 40°–50°, 70°–80° und 105°–115°, ganz besonders bevorzugt unter 15°, 25°, 45°, 75° und 110°.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Messdaten elektronisch erfasst, gespeichert, ausgewertet und/oder dargestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine farb- und/oder effektgebende Lackierung, vorzugsweise um eine effektgebende Metallic-Lackierung, handelt.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung der Wolkigkeit von Automobil-Lackierungen.