DE102010020622B4

DE102010020622B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemittel in bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial

Info

Publication number: DE102010020622B4
Application number: DE201010020622
Authority: DE
Inventors: Christian Mulsow; Lars Marschke
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: DE102010020622A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10, 50) zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemittel (2) an bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel (2) optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial (1), wobei als Umhüllungsgrad das Verhältnis der ermittelten Fläche des Bindemittels (2) zur Gesamtfläche des untersuchten bindemittelumhüllten Festmaterials (1) definiert wird. Die Aufgabe besteht darin, dass die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung und Bestimmung der Umhüllung des Bindemittels in Relation zum bindemittelumhüllten Festmaterial erhöht werden. Die Lösung besteht aus folgenden wesentlichen Schritten: – Einsatz mindestens einer Beleuchtungsquelle (11, 12, 13, 14; 33) mit einem schmalen Wellenlängenbereich auf mindesten zwei voneinander beabstandeten Strahlungspositionen (34, 35) und Einsatz einer Kamera (13) zur Aufnahme von reflektierten Bildern (18, 19, 20, 21; 38, 39, 40, 38', 39', 40'), – Gerichtete Beleuchtungen des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials (1) mit Strahlenbündel (7) der Beleuchtungsquelle (11, 12, 13, 14; 33), – Ausbildung von diffusen Reflexionen des gerichtet eingestrahlten Strahlenbündels (7) an dem bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterial (1), – Ausbildung einer gerichteten Reflexion (6) des gerichtet eingestrahlten Strahlenbündels (7) an glatten Flächen des Bindemittels (2) des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials (1), – Registrierung und Auswertung der multidirektionalen Reflexionen am Bindemittel (2) und am bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterial (1) mittels der Kamera (13) und einer damit verbundenen Auswerteeinheit (16), – Bestimmung des Umhüllungsgrades als Verhältnis aus den reflektiv registrierten glatten Flächen des Bindemittels (2) und der reflektiv ermittelten Gesamtfläche des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials (1) in der Auswerteeinheit (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemittel in bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial, wobei als Umhüllungsgrad das Verhältnis der ermittelten Fläche des Bindemittels zur Gesamtfläche des untersuchten bindemittelumhüllten Festmaterials definiert wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemittel in bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial beziehen sich im Speziellen auf die Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bitumen als Bindemittel in bitumenumhülltem Gestein für den Straßenbau.
Mit der Zunahme der Verkehrsbelastungen bei Zunahme an Achsübergängen und höherer Achslasten sowie klimatischer Veränderungen steigen stetig die Anforderungen im Straßenbau. Der größte Teil des Straßennetzes besteht aus Asphaltstraßen. Das Ermüdungsverhalten und das Verformungsverhalten der Verkehrswege wird dabei maßgeblich durch die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Asphalts bestimmt. Die Zusammensetzung des Mischgutes Asphalt ist hierbei von wesentlicher Bedeutung. Asphalt besteht aus Gesteinskörnungen, Bitumen, Luftporen und diversen Zusätzen. Das Bitumen dient dabei als Bindemittel zwischen den einzelnen Gesteinskörnern.
Die auftretenden Biegezugspannungen im Asphalt erfordern eine ausreichend hohe bindende Wirkung des verwendeten Bitumens auf das Gemisch. Nicht jedes Gestein und jedes Bitumen, die im Straßenbau und speziell im Asphaltmischgut zum Einsatz kommen, haben die gleichen affinen Eigenschaften zueinander. Daher müssen die zur Anwendung kommenden Bestandteile hinsichtlich ihres Haftverhaltens geprüft werden. Die DIN EN 12697-11: Asphalt-Prüfverfahren für Heißasphalt-Teil 11: Bestimmung der Affinität von Gesteinskörnungen und Bitumen, 2005, benennt den Rolling-Bottle-Versuch als Verfahren zur Bestimmung der Affinität von Gesteinskörnungen und Bitumen. Innerhalb des Prüfverfahrens wird eine definierte Menge Gesteinkörnung mit einer bestimmten Kornfraktion durch Mischen mit Bitumen umhüllt. Das Gemisch wird dann gedrittelt und in Prüfflaschen mit destilliertem oder entionisiertem Wasser gefüllt. Anschließend werden die Flaschen auf einem Flaschen-Rollgerät um ihre eigene Achse gedreht. Die mechanische Beanspruchung führt zum sukzessiven Ablösen des Bitumens vom Gestein. Die Rolldauer beträgt üblicherweise 6 bis 18 Stunden. In bestimmten Zeitabständen werden die Proben den Flaschen entnommen und in Wasser gefüllte Glasschalen auf einer weißen Unterlage platziert. Zwei Prüfer schätzen anschließend unabhängig voneinander den Bitumen-Umhüllungsgrad des Gesteins.
Die Ergebnisse des Rolling-Bottle-Tests dienen dann als Entscheidungsgrundlage, ob das Gesteinskorn-Bitumen-Gemisch den definierten Anforderungen genügt. Ist das nicht der Fall, muss eine Zugabe von Haftvermittlern zur Erhöhung der Affinität erfolgen. Dieses hat jedoch eine Erhöhung der Herstellungskosten des Asphalts zur Folge. Der wirtschaftliche Schaden ungenügend bestimmter Affinität ist sowohl für die Asphalthersteller als auch für die Baulastträger relevant. Eine im Rolling-Bottle-Test zu optimistisch abgeschätzte Affinität kann frühzeitige Schäden in der eingebauten Asphaltdeckschicht zur Folge haben. Eine zu pessimistische Einschätzung bedingt den Einsatz von Haftvermittlern und führt zu steigenden Kosten.
Die bestehenden Normen empfehlen mit dem Rolling-Bottle-Versuch ein Prüfverfahren, das auf subjektiven Einschätzungen basiert. Die Subjektivität soll zwar der Norm nach durch schematische Vergleichsabbildungen reduziert werden, eine relativ große Restunsicherheit bleibt dennoch. Zudem wird in der Vorschrift ausreichende Schulung des Personals und letztendlich Erfahrung vorausgesetzt. Testreihen haben zudem gezeigt, dass die Zuverlässigkeit, Vergleichbarkeit und Genauigkeit der Ergebnisse stark limitiert ist. Zudem ist das Verfahren arbeitsaufwändig und unter ökonomischen Gesichtspunkten als nicht effektiv anzusehen.
Im Rahmen diverser Forschungsprojekte, wie in der Druckschrift Grönniger: Computergestützte Auswertung von Rolling-Bottle-Tests, Straße und Autobahn 7/2008, S. 415–419, angegeben, ist beschrieben, wie die fehleranfällige subjektive Abschätzung durch automatische Verfahren ersetzt wird. Primäres Ziel ist die Steigerung der Genauigkeit, der Zuverlässigkeit sowie der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Weiterhin werden darin die Verringerung des manuellen Aufwandes für die Versuchauswertung sowie die Reduktion der Anforderungen an das Personal beschrieben.
Die angeführte Druckschrift befasst sich mit der computergestützten Auswertung von Farbbildern der bitumenumhüllten Proben. Prinzipiell basiert das entwickelte Verfahren auf einer überwachten multispektralen Klassifikation.
Die Verwendung des als für die Klassifikation von Luft- und Satellitenbildern entwickelten kommerziellen Programms ENVI (ITT Visual Information Solutions) wird in der Druckschrift von Grönniger: Computergestützte Auswertung von Rolling-Bottle-Tests, Straße und Autobahn 7/2008, S. 415–419, beschrieben. Dabei werden in den Messbildern manuell Trainingsgebiete für die Klassen Hintergrund, Gestein und Bitumen definiert. Die anschließend durchgeführte Klassifikation ergibt schließlich ein Ergebnisbild mit drei Klassen. Aus dem Verhältnis der Pixelanzahl der Klassen kann schließlich der prozentuale Umhüllungsgrad berechnet werden.
Das Verfahren nach Grönniger hat Vorteile hinsichtlich des Automatisierungsgrades, jedoch limitiert eine Reihe von Nachteilen dessen Anwendung:

– dunkles Gesteins verhindert eine sichere Unterscheidung vom umhüllenden Bitumen,
– Reflexionen an der Bitumenoberfläche durch Spiegelungen führen zu Fehlklassifikationen,
– Schattenwürfe durch seitliche Beleuchtung der bitumenumhüllten Gesteine können zur fehlerhaften Klassifizierung der schattigen Flächen führen (z. B. schattiger Hintergrund wird als Stein klassifiziert),
– helle Oberflächen des Gesteins in Verbindung mit zu schwacher Beleuchtung bewirken eine Beeinträchtigung der Kornflächenermittlung des Gesteins,
– Probleme bei unterschiedlich stark angeleuchteten Gesteinskörnern bei dunklen und sehr ungleichmäßig ausgebreiteten Proben,
– Abhängigkeit der Klassifizierungsresultate von der Definition der Trainingsklassen (entweder über manuell festgelegte Trainingsgebiete oder über separate Referenzaufnahmen vom Hintergrund sowie unbedeckten bzw. vollständig von Bitumen umhüllten Steinen),
– relativ hoher Rechenaufwand auf Grund der Komplexität des verwendeten Klassifikations-Algorithmus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemitteln in bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung der Umhüllung des Bindemittels in Relation zum bindemittelumhüllten Festmaterial erhöht werden. Außerdem sollen das Verfahren und die Vorrichtung auf bitumenumhülltes Gestein mit Bitumen als Bindemittel für gekörntes Gestein für den Straßenbau angewendet werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst.
Das Verfahren zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemittel an bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial, wobei als Umhüllungsgrad das Verhältnis der ermittelten Fläche des Bindemittels zur Gesamtfläche des untersuchten bindemittelumhüllten Festmaterial definiert wird, weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 folgende Schritte auf:

– Einsatz mindestens einer Beleuchtungsquelle mit einem geringen Wellenlängenbereich auf mindesten zwei voneinander beabstandeten Positionen und einer Kamera zur Aufnahme von reflektierten Bildern,
– Gerichtete Beleuchtung des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials mit einem Strahlenbündel der Beleuchtungsquelle,
– Ausbildung von diffusen Reflexionen des gerichtet eingestrahlten Strahlenbündels an dem im optischen Sinne rauen Flächen des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials,
– Ausbildung einer gerichteten Reflexion des gerichteten eingestrahlten Strahlenbündels an glatten Flächen des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials,
– Registrierung der multidirektionalen Reflexionen am Bindemittel und am bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterial mittels der Kamera und Auswertung durch eine mit ihr verbundene Auswerteeinheit,
– Bestimmung des Umhüllungsgrades als Verhältnis aus den reflektiv registrierten glatten Flächen des Bindemittels und der reflektiv ermittelten Gesamtfläche des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials in der Auswerteeinheit.

Für die mindestens eine Beleuchtungsquelle mit einem schmalen Wellenlängenbereich wird mindestens eine Laserdiode eingesetzt.
In dem Verfahren können im Detail folgende weitere Schritte durchgeführt werden:

– Einsatz einer orts- und richtungskonstanten Kamera,
– gerichtete Beleuchtung des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen durch Positionsänderung der Beleuchtungsquelle oder von mindestens zwei Beleuchtungsquellen an unterschiedlichen Strahlungspositionen,
– Erzeugen von Aufnahmen bei Beleuchtung aus den vorgegebenen unterschiedlichen Richtungen mittels der orts- und richtungskonstanten Kamera,
– Vergleich der aus mindestens zwei unter unterschiedlichen Beleuchtungs-Richtungen registrierten Aufnahmen in der Auswerteeinheit, die mit der Kamera verbunden ist, mittels eines Minstore-Algorithmus, wobei ein Minstore-Bild erzeugt wird,
– Auswertung des Minstore-Bildes mit unterschiedlichen Helligkeiten und Grauwerten von Festmaterial und Bindemittel in der Auswerteeinheit und
– Ausgabe des bestimmten Umhüllungsgrades über eine an die Auswerteeinheit angeschlossene Ausgabeeinheit.

Als mindestens eine Beleuchtungsquelle mit einem schmalen Wellenlängenbereich kann auch mindestens ein Linienlaser eingesetzt werden.
Für den Einsatz von mindestens einem Linienlaser sind folgende Schritte vorgesehen

– Einsetzung einer Kamera, die zumindest zwischen zwei vorgegebenen Strahlungspositionen des Linienlasers oder zumindest zwischen zwei Linienlasern angeordnet wird,
– Gewährleistung der Konstanz der Position und Ausrichtung der Kamera während der Bildaufnahmen,
– Abscannen des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials in einer Anfangrichtung und Aufnahme einer ersten Sequenz aus mehreren Bildern des bindemittelumhüllten Festmaterials durch die Kamera mit Fusionierung zu einem Maxstore-Bild bei der ersten Strahlungsposition bei gerichteter Beleuchtung,
– danach Abscannen quer zur Anfangsrichtung von einer zweiten Strahlungsposition aus und Aufnahme einer zweiten Sequenz aus mehreren Bildern des bindemittelumhüllten Festmaterials durch die Kamera mit Fusionierung zu einem anderen Maxstore-Bild bei der zweiten Strahlungsposition bei gerichteter Beleuchtung,
– Auswertung der Maxstore-Bilder.

Die zugehörige Auswertung der Bildersequenzen mittels eines Maxstore-Algorithmus und eines Minstore-Algorithmus kann folgende Schritte aufweisen

– Vorlage der in ein Datensatzformat umgewandelten Bildersequenzen mit unterschiedlicher gerichteter Beleuchtung von den verschiedenen Strahlungspositionen aus,
– Überführung der jeweiligen Bildersequenz mittels eines vorgegebenen Maxstore-Algorithmus in ein jeweiliges Maxstore-Bild, wobei der Maxstore-Algorithmus einen Vergleich der Einzelbilder und Ablegung des maximal vorkommenden Grauwerts (max) für jede Pixelposition im jeweiligen Maxstore-Bild durchführt,
– Eliminierung der Überstrahlungen-Reflexe – durch rechnerische Kombination der Maxstore-Bilder in ein Minstore-Bild, wobei mittels eines vorgegebenen Minstore-Algorithmus in beiden Maxstore-Bildern für jede Pixelposition die jeweiligen Grauwerte verglichen werden und der niedrigere Grauwert (min) in das Bindemittel-Bild übernommen wird, wodurch das Bindemittel als dunkle Fläche ausgewiesen wird, die sich vom Festmaterial mit hellen Flächen deutlich abhebt,
– Ermittlung eines Schwellwertes zwischen Bindemittel und Festmaterial und Berechnung eines binären Bildes für die Bindemittelflächen,
– Rechnerische Subtraktion der Fläche des Bindemittels von der Gesamtfläche des bindemittelumhüllten Festmaterials,
– Trennung des Hintergrundes vom Minstore-Bild des bindemittelumhüllten Festmaterials, wobei die Trennung mit Hilfe der Analyse einer einzelnen Aufnahme mit diffuser Tageslichtbeleuchtung erfolgt,
– Durchführung der Analyse mittels Erzeugung eines Kontrastbildes in einem Segmentierungsschritt und Extrahierung der bindemittelfreien, im Hintergrundbild vorhandenen Segmente, die die Festmaterialflächen darstellen, wobei sich ein Extraktionsbild ergibt,
– Kombination des Extraktionsbildes mit dem Minstore-Bild zu einem resultierenden Ergebnis-Bild, das in drei Klassen: Hintergrund, Festmaterial und Bindemittel, unterteilt ist, und
– Bestimmung des Umhüllungsgrades des Bindemittels und Ausgabe des bestimmten Umhüllungsgrades.

Zur Verringerung des Einflusses von Fremdlicht kann die Kamera mit einem Sperrfilter ausgestattet werden, der nur Licht im Wellenlängenbereich der eingesetzten Beleuchtungsquelle passieren lässt.
Als Bindemittel kann das im Straßenbau eingesetzte Bitumen und als bindemittelumhülltes, gebrochenes und vom Bindemittel optisch reflektiv unterschiedliches Festmaterial ein bitumenumhülltes Gestein vorgesehen werden.
Die Vorrichtung zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemittel an bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial, wobei als Umhüllungsgrad das Verhältnis der ermittelten Fläche des Bindemittels zur Gesamtfläche des untersuchten bindemittelumhüllten Festmaterials definiert wird, kann unter Einsatz des vordem beschriebenen Verfahrens betrieben wenden,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 10
die Vorrichtung aus folgenden Baugruppen:

– aus einer positionierten Kamera zur Aufnahme von Bildern des zu untersuchenden bindemittelumhülltem Festmaterials,
– aus mindestens einer Beleuchtungsquelle mit einem schmalen Wellenlängenbereich und mit einer gerichteten Strahlung, wobei mindestens zwei unterschiedliche Strahlungspositionen für die Beleuchtungsquellen in Richtung des bindemittelumhüllten Festmaterials vorgegeben sind,
– aus einer Auswerteeinheit mit einer Umwandlung der Bildersequenzen in Datensatzformat und zumindest mit einem Grauwert-Vergleichsalgorithmus bezüglich der Pixel der in Datensatzformat umgewandelten Aufnahmebilder, wobei die Auswerteeinheit mit einem Computer versehen ist, der programmtechnische Mittel zur Auswertung der digitalisierten Aufnahmebilder der Kamera und zur Bestimmung des Umhüllungsgrades des Bindemittels aufweist, und
– aus einer Ausgabeeinheit zur Angabe des bestimmten Umhüllungsgrades

Dabei kann das Bindemittel das im Straßenbau eingesetzte Bitumen und das bindemittelumhüllte, gebrochene und vom Bindemittel optisch reflektiv unterschiedliche Festmaterial ein bitumenumhülltes Gestein sein.
Mit dem Verfahren zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemitteln in bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial ist die multidirektionale Reflexionsanalyse mittels Laser ein leistungsfähiges Verfahren zur Lösung der Messaufgabe.
Das Verfahren und die Vorrichtung beschäftigen sich mit der Bestimmung von Flächenanteilen von Bitumen auf teilweise bedeckten Gesteinsoberflächen. Die Aufgabenstellung stammt aus dem Bereich der Materialprüfung im Straßenbau. Zum Testen der affinen Eigenschaften der Asphaltbestandteile Bitumen und Gestein werden diese mechanisch unter Vorhandensein von Wasser definiert beansprucht. Der Grad des Ablösens des Bitumens durch den Einfluss von Wasser von der Gesteinsoberfläche dient dann als Indikator für die Güte der Affinität.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren wird bei der neu entwickelten multidirektionalen Reflexionsanalyse statt der Farbwerte, die unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten von Bitumen und Gestein als trennendes Kriterium herangezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit der multidirektionalen Reflexionsanalyse nutzt die unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften von gebrochenem Gestein und Bitumen. Gebrochenes Gestein hat eine im optischen Sinn signifikant rauere Beschaffenheit als Bitumen, d. h. die Oberflächenvariation relativ zur Wellenlänge ist um einige Dimensionen größer. Dies bewirkt eine diffuse Reflexion an der Oberfläche des Gesteins und eine gerichtete Reflexion am optisch glatten Bitumen und somit einen Unterschied in der Reflexion.
Der Unterschied kann verstärkt werden, wenn gerichtet beleuchtet und eine Beleuchtungsquelle mit geringem Wellenlängenbereich (Reflexion ist wellenlängenabhängig) vorgesehen wird. Prädestiniert dafür sind Laser, weil sie im Gegensatz zu klassischen Lichtquellen (z. B. Glühlampe) in einem schmalen Frequenzspektrum parallele Strahlung erzeugen können.
Das Auftreten von Reflexionen ist neben der Ausrichtung der Flächennormale im entsprechenden Oberflächenpunkt vom Auftreffwinkel des Laserlichts abhängig. Wird jedoch das Objekt aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und die entsprechenden Aufnahmen miteinander verglichen, können diese problematischen Reflexe detektiert werden. Das Gestein erscheint bei Beleuchtung in beiden Aufnahmen hell, der Bitumen in der ersten Aufnahme hell und in der zweiten Aufnahme dunkel.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit einem bindemittelumhüllten gekörnten Gestein mit Bitumen als Bindemittel insbesondere für den Straßenbau mittels Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung von herkömmlicher diffuser Beleuchtung und erfindungsgemäßer gerichteter Beleuchtung, wobei
1aa eine diffuse Reflexion bei diffuser Beleuchtung,
1ab eine gerichtete Reflexion bei diffuser Beleuchtung,
1ba eine diffuse Reflexion bei gerichteter Beleuchtung,
1bb eine gerichtete Reflexion bei gerichteter Beleuchtung zeigen,
2 Aufnahmen von bitumenumhülltem Gestein, wobei
2a unter Tageslichtbeleuchtung,
2b unter Tageslichtbeleuchtung mit zusätzlicher Laserdiodenbeleuchtung zeigen,
3 Datenaufnahme mit einer ersten Vorrichtung unter flächenhafter Beleuchtung mit einer Laserdiode oder mit mehreren Laserdioden bei einer orts- und richtungskonstanten Kamera,
4 Ablaufdiagramme der Datenauswertung bei Einsatz mindestens einer Laserdiode nach 3 bei gerichteter Beleuchtung mit variierender Beleuchtungsrichtung, wobei
4a das Ablaufdiagram ohne diffuse Beleuchtung und
4b das Ablaufdiagramm mit diffuser Beleuchtung zeigen,
5 Ablaufdiagramm eines eingesetzten Minstore-Algorithmus im Detail,
6 Datenaufnahme mit einer zweiten Vorrichtung unter Beleuchtung mit einem Linienlaser oder mehreren Linienlasern mit sequentieller Bildaufnahme, wobei sich der Linienlaser auf zwei unterschiedlichen Strahlungspositionen gegenüber der eingesetzten orts- und richtungskonstanten Kamera befindet,
7 Ablaufdiagramme der Datenauswertung bei Einsatz mindestens eines Linienlasers nach 6 zur gerichteten Beleuchtung (Bildsequenzen), wobei
7a das Ablaufdiagramm ohne diffuse Beleuchtung und
7b das Ablaufdiagramm mit Aufnahmen eines Einzelbildes unter diffuser Beleuchtung zur Hintergrundextraktion zeigen,
8 Ablaufdiagramm eines eingesetzten Maxstore-Algorithmus im Detail,
9 Histogramm der Grauwerte im Minstore-Bild nach 6 oder 7 und zugehöriges Ergebnis-Bild mit den drei Klassen Bitumen, Gestein und Hintergrund, wobei
9a das Histogramm in Form einer Pixel-Grauwert-Verteilung,
9b das zugehörige Ergebnisbild und
9c das zugehörige Statistik-Bild zeigen.
Dabei kann in diesen Ausführungsbeispielen das Bindemittel für das eingesetzte Festmaterial Bitumen und das vom Bindemittel umhüllte, gebrochene und zum Bindemittel optisch unterschiedlich reflektierende Festmaterial ein bitumenumhülltes Gestein darstellen.
Wie in den einzelnen 1 gezeigt ist, können durch eine gerichtete Beleuchtung 7 mit einem Laser oder einer Laserdiode die Unterschiede zwischen Bitumen 2 und bitumenumhülltem Gestein 1 sichtbar gemacht werden. Die diffuse Reflexion 4 an der Oberfläche des bitumenumhüllten Gesteins 1 in 1aa und 1ba und die gerichtete Reflexion 5, 6 in 1ab und 1bb am optisch glatten Bitumen 2 sorgen in einem Kamerabild für eindeutig trennbare Helligkeitswerte.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit der multidirektionalen Reflexion nutzt die in 1 angegebenen unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften von gebrochenem Gestein 1 und verbindendem Bitumen 2. Gebrochenes Gestein 1 hat eine im optischen Sinn signifikant rauere Beschaffenheit als Bitumen 2, d. h., die Oberflächenvariation relativ zur Wellenlänge ist um einige Dimensionen größer. Dies bewirkt eine diffuse Reflekion 4 an der Oberfläche des Gesteins 1 und eine gerichtete Reflexion 5, 6 am optisch glatten Bitumen 2.
Der Unterschied zwischen den Reflexionen von Gestein 1 und Bitumen 2 kann verstärkt werden, wenn die untersuchte Probe des bitumenumhüllten Gesteins 1 also nur gerichtet beleuchtet und eine Beleuchtungsquelle mit schmalem Wellenlängenbereich (Reflexion ist wellenlängenabhängig) eingesetzt werden. Prädestiniert dafür sind Laser, da die Beleuchtungsquelle mit schmalem Wellenlängenbereich im Gegensatz zu klassischen Lichtquellen (z. B. Glühlampe) in einem schmalen Frequenzspektrum eine parallel gerichtete Strahlung erzeugen können.
Die 2a und 2b zeigen die Effekte anhand von Aufnahmen von bitumenumhüllten Gesteinen 1, z. B. Schottergesteinen, unter Tageslichtbeleuchtung 3, z. B. Glühlampen, in 2a und unter zusätzlicher Beleuchtung 7 mit einer Laserdiode der Wellenlänge 660 nm in 2b. Im sichtbaren Spektrum des Lichtes-Tageslicht – liegen die Helligkeiten der Bitumenfläche und der Gesteinsfläche im Bild der 2a dicht beieinander. Eine automatische Klassifizierung ist hier quasi nicht möglich. In 2b ermöglicht die diffuse Reflexion (hell) des Laserdiodenlichts 7 an der Fläche des Gesteins 1 eine signifikante Unterscheidung vom optisch glatten Bitumen 2 (dunkel). Oft ergeben sich überstrahlte Pixel an einigen Bitumenkanten, hervorgerufen durch Totalreflexion direkt auf den Sensor. Die überstrahlten Pixel stören eine beabsichtigte Klassifizierung aufgrund ihrer Helligkeit, da die Bildbereiche der Bitumenkanten fälschlicherweise als Gestein interpretiert werden könnten.
In der 3 ist eine schematische erfindungsgemäße erste Vorrichtung 10 zur Bestimmung des Umhüllungsgrades des Bitumens 2 bei bitumenumhülltem Gestein 1 angegeben, wobei eine Datenaufnahme des bitumenumhüllten Gesteins 1 mit der ersten Vorrichtung 10, enthaltend mindestens eine Laserdiode 11, 12, 14, 15 und eine Kamera 13, unter flächenhafter Beleuchtung des bitumenumhüllten Gesteins 1 mit einer Laserdiode 11 und/oder mehreren Laserdioden 11, 12, 14, 15 gezeigt wird und wobei jeweils die Bilder 18, 19, 20, 21 (4a, 4b) in Form von Datenaufnahmen mit der Kamera 13 durchgeführt werden. An die Kamera 13 ist eine Auswerteeinheit 16 zur Auswertung der Bilder 18, 19, 20, 21 angeschlossen, die ihrerseits mit einer Ausgabeeinheit 17 in Verbindung steht.
In 4a ist ein Ablaufdiagramm der Datenauswertung bei Einsatz von vier Laserdioden 11, 12, 14, 15 nach 3 oder einer Laserdiode auf vier Strahlungspositionen (nicht eingezeichnet) angegeben.
Der erste Schritt 22 zur Aufnahme von vier parallel zu verarbeitenden Bildem 18, 19, 20, 21 mittels einer Kamera 13 kann mit vier Laserdioden 11, 12, 14, 15 oder mit einer der Laserdioden 11 an den vier unterschiedlichen Strahlungspositionen erfolgen.
In einem zweiten Schritt 23 werden die vier parallel zu verarbeitenden Bilder 18, 19, 20, 21 mittels eines Minstore-Algorithmus bearbeitet, wobei in einem dritten Schritt 24 ein Minstore-Bild 44 erzeugt wird. Dabei werden gemäß einem vorgegebenen Minstore-Algorithmus (5) in den parallel zu verarbeitenden Bildern 18, 19, 20, 21 für jede Pixelposition die jeweiligen Grauwerte verglichen und der niedrigere Wert (min) dann in das Minstore-Bild 44 im Schritt 24 übernommen. Das Minstore-Bild 44 ist nun befreit von etwaigen Störungen und zeigt das Bitumen 2 als dunkle Flächen, welche sich klar vom Gestein 2 mit den hellen Flächen abheben.
In einem vierten Schritt 25 kann eine Histogramm Analyse durchgeführt werden, die in einem fünften Schritt 26 zu einem Bild mit einem festgestellten Bitumen geführt wird.
Parallel zu den Schritten 22, 23, 24, 25 und 26 kann in einem sechsten Schritt 27, wie in 4b gezeigt ist, eine Einzelaufnahme bei Tageslichtbeleuchtung 3 des gleichen bitumenumhüllten Gesteins 1 zur Hintergrundfestlegung durchgeführt werden. Mittels eines siebten Schritts 28 erfolgt eine Segmentierung, aus der dann im achten Schritt 29 ein Hintergrundbild 9 erstellt wird. In einem neunten Schritt 30 kann eine Bildkombination des Minstore-Bildes 44 aus dem vierten Schritt 24 und aus dem Hintergrundbild 9 aus dem achten Schritt 29 zu einem Bitumen-Gesteins-Bild im Rahmen eines Schrittes 26 erfolgen.
Aus der Analyse der Grauwerte im Schritt 25 wird in einem zehnten Schritt 31 ein Ergebnis-Bild erstellt und im dazu parallelen Schritt 32 kann ein Statistik-Bild über die Klassen – Bitumen, Gestein, Hintergrund – ausgegeben werden. Ohne die Strecke der diffusen Beleuchtung mit eingebundener Bildkombination im Schritt 30 wird aus den Schritten 25 und 26 sofort das Ergebnis-Bild im Schritt 31 und das Statistik-Bild im Schritt 32 erstellt.
In 5 ist ein Ablaufdiagramm des Minstore-Algorithmus im Detail dargestellt. Dabei besteht der wesentliche Algorithmus-Vergleichsschritt im Feld 51, bei dem aus einem Vergleich der Grauwerte der minimale Grauwert (min) ausgewählt und zur Ergebnis-Bildgestaltung weiter gegeben wird.
In der 6 sind Datenaufnahmen von bitumenumhülltem Gestein 1 und dem Bitumen 2 mit einer zweiten Vorrichtung 50 unter linienhafter Beleuchtung mit einem Linienlaser 33 an zwei verschiedenen Strahlungspositionen 34, 35 mit sequentieller Bildaufnahme durch eine Kamera 13 dargestellt, wobei in 6 der Linienlaser 33 auf einer ersten Strahlungsposition 34 gegenüber der eingesetzten Kamera 13 für eine erste Sequenz 36 (7a, 7b) von Bildern angeordnet ist und der gleiche Linienlaser 33 sich auf einer zweiten, von der ersten Strahlungsposition 34 beabstandeten Strahlungsposition 35 gegenüber der eingesetzten Kamera 13 und der ersten Strahlungsposition 34 für eine zweite Sequenz 37 (7a, 7b) von Bildern befindet. Auch hier ist die Kamera 13 mit einer Auswerteeinheit 16 verbunden, der nachfolgend eine Ausgabeeinheit 17 zugeordnet sein kann.
Zum Einsatz kann eine monochrome Maschine-Vision Kamera 13 mit einer Auflösung von 1280 × 960 Pixel und einer Aufnahmefrequenz von 15 fps kommen. Als Beleuchtungsquelle wird statt mindestens einer Laserdiode 11, 12, 14, 15 mindestens ein Linienlaser 33 zur gerichteten Beleuchtung eingesetzt. Tests haben gezeigt, dass die Güte der gerichteten Beleuchtung der Probe des bitumenumhüllten Gesteins 1 hierbei höher liegt und damit die Trennung von Bitumen 2 und Gestein 1 eindeutiger gelingt. Die flächige Beleuchtung durch eine Laserdiode 11, 12, 14, 15 lässt die Wertebereiche der Helligkeiten der einzelnen Klassen näher zusammenrücken. Als eine Ursache kann die zusätzliche Beleuchtung des Bitumens 2 durch diffus am Hintergrund 8 (3) sowie am Gestein 1 reflektierte Laserdiodenlichtbestandteile identifiziert werden.
In 7a ist ein Ablaufdiagramm der Datenauswertung bei Einsatz des Linienlasers 33 und der Kamera 13 nach der 6 angegeben. Der Laser kann z. B. eine Wellenlänge von 660 nm aufweisen und eine Leistung von 35 Watt haben. Außerdem kann die Kamera 3 mit einem Sperrfilter für den Durchlass der Wellenlänge von 660 nm versehen sein. Fremdlichteinfluss soll somit verhindert werden.
Bei Verwendung eines Linienlasers 33 mit parallel gerichteter linienhafter Beleuchtung kann die Erfassung des bitumenumhüllten Gesteins 1 natürlich nicht aus einer einzelnen Aufnahme erfolgen. Wie in den 6, 7a, 7b gezeigt ist, wird daher im ersten Schritt 22 eine Sequenz 36 aus mehreren Bildern 38, 39, 40 in Form von Datensätzen durch die Kamera 13 akquiriert und es werden die Bilder 38, 39, 40 dann in digitaler Form unter Anwendung eines Maxstore-Algorithmus mittels des Schrittes 47 zu einem Maxstore-Bild 41 über den Schritt 48 fusioniert.
Der Linienlaser 33 wird danach bei der Aufnahme um die Querachse geschwenkt und damit das bitumenumhüllte Gestein 1 der Probe quasi abgescannt. Da die Scharfabbildung der Linie 49 des Linienlasers 33 nicht von Relevanz ist, kann der Linienlaser 33 handgeführt werden.
Die Breite der Laserlinie 49 bestimmt die notwendige Anzahl der Aufnahmen zur vollständigen Beleuchtung der Messobjekte in Form des zu untersuchenden bitumenumhüllten Gesteins 1. Eine Reduzierung der Linienbreite durch den Linienlaser 33 erhöht gegenüber dem Laserdiodeneinsatz die Güte der Beleuchtung, führt aber eben zu einer erhöhten Anzahl von notwendigen Bildern. Hier kann ein Kompromiss gefunden werden. Als praktikabel haben sich Linienbreiten von ca. 1 cm erwiesen. Zur Eliminierung von störenden Reflexionen wird zudem im Schritt 22 mindestens eine zweite Sequenz 37 von Bildern 38', 39', 40' in Form von Datensätzen aufgenommen, wobei das zu untersuchende bitumenumhüllte Gestein 1 quer zur Anfangsrichtung auf der zweiten Strahlungsposition 35 durch den Linienlaser 33 beleuchtet wird. Die Standorte der Kamera 13 in Relation zur Probe gerichtet sind identisch, um eine einfache Fusion der Datensätze aus den beiden Sequenzen 36, 37 zu ermöglichen.
Nach der Datenaufnahme liegen dann mindestens die beiden Bildsequenzen 36, 37 mit jeweils unterschiedlicher gerichteter Beleuchtung vor. Die Bildauswertung gestaltet sich in der Weise, dass die jeweilige Sequenz 36, 37 via eines Maxstore-Algorithmus 42 gemäß dem Schritt 47 jeweils in ein Maxstore-Bild 41, 43 gemäß Schritt 48 überführt wird. Mit dem Maxstore-Algorithmus des Schrittes 47 werden die einzelnen Folgebilder bzw. Datensätze 38, 39, 40 und die einzelnen Folgebilder bzw. Datensätze 38', 39', 40' miteinander verglichen und für jede Pixelposition der maximal vorkommende Grauwert (max) im jeweiligen Maxstore-Bild 41 bzw. 42 im Schritt 48 abgelegt.
In 8 ist der Maxstore-Algorithmus im Detail dargestellt. Dabei besteht der wesentliche Algorithmus-Schritt im Feld 52, bei dem aus einem Vergleich der Grauwerte der maximale Grauwert (max) ausgewählt und zur Ergebnisgestaltung weiter gegeben wird.
Die Eliminierung der Überstrahlungen (Reflexe) erfolgt in 7a und 7b durch die rechnerische Kombination der beiden Maxstore-Bilder 41, 43 über ein resultierendes Minstore-Bild 44 im Schritt 24. Dabei werden gemäß dem Minstore-Algorithmus im Schritt 23 nach 5 in den beiden erhaltenen Maxstore-Bildern 41, 43 für jede Pixelposition die jeweiligen Grauwerte verglichen und der jeweils niedrigere Wert (min) dann in das Minstore-Bild 44 übernommen. Das Minstore-Bild 44 des Schrittes 24 ist nun befreit von etwaigen Störungen und zeigt das Bitumen 2 als dunkle Flächen, welche sich klar vom Gestein 1 mit den hellen Flächen abheben.
Aus dem Minstore-Bild 44 des Schrittes 24 kann wahlweise in diesem Beispiel über einen speziellen Schritt 25 der Analyse des Histogramms, wie auch in 9a gezeigt ist, der Schwellwert zwischen Bitumen 2 und Gestein 1 automatisch ermittelt und ein binäres Bild 45 mit Bitumen 2, Gestein 1 und Hintergrund 8 berechnet werden. Das binäre Bild 45 zeigt dann ausschließlich die Bitumenflächen, die für die Bestimmung des Umhüllungsgrades erforderlich sind.
Außer der Analyse eines Histogramms im Schritt 25 gibt es auch andere herkömmliche Verfahren, um die Bitumenfläche des Schrittes 26 zu erhalten.
Als Alternative zur Histogrammanalyse kann auch die Klassifikation des Minstore-Bildes 44 nach Bitumen 2 und Gestein 1 durch eine segmentbasierte Klassifikation erfolgen. Dabei werden zunächst benachbarte Pixel mit ähnlichen Eigenschaften zu Segmenten zusammengefasst. Die Eigenschaften der Segmente, wie mittlere Helligkeit oder Varianz der Grauwerte, können dann analysiert werden. Die Gesamtheit der Segmente lässt sich in drei Klassen ähnlicher spektraler Eigenschaften unterteilen – Hintergrund 8, Gestein 1 und Bitumen 2. Wird zuvor der Hintergrund 8, wie in 7b gezeigt ist, auf der Basis eines unter diffuser Beleuchtung 3 erstellten Bildes 9 im Schritt 29 extrahiert, reduziert sich die Klassifizierungsaufgabe auf zwei Klassen – Bitumen und Gestein –, wie in 7b im Schritt 26 gezeigt ist.
Im Schritt 30 der Bildkombination kann die Bitumenfläche dann von der Gesamtfläche des Gesteins 1 abgetrennt werden. Zuvor wird jedoch der Hintergrund 8 eindeutig von den Proben des bitumenumhüllten Gesteins 1 getrennt. Die Trennung könnte theoretisch ebenfalls aus der Analyse des Minstore-Bildes 44 erfolgen, jedoch ist das Minstore-Bild 44 durch Schatten aufgrund der nicht senkrechten Beleuchtung durch den Linienlaser 33 verfälscht. Die Trennung des Hintergrundes 8 erfolgt daher aus der Analyse einer einzelnen Aufnahme mit diffuser Beleuchtung 3 in dem Schritt 27. Dabei wird ein Kontrastbild in einem Segmentierungsschritt 28 erzeugt und die umschlossenen Segmente im Schritt 29 extrahiert. Die ermittelten Segmente stellen dann die Steinflächen des Gesteins 1 dar. Im Schritt 30 wird das Extraktionsbild des Schrittes 29 mit dem Minstore-Bild 44 aus dem Schritt 24 kombiniert. Als Ergebnis-Bild 46 im Schritt 31 liegt nun ein in drei Klassen unterteiltes Bild in 9b vor, aus dem nun der Umhüllungsgrad des bitumenumhüllten Gesteins 1 bestimmt werden kann. Für statistische Zwecke kann im Schritt 32 ein Statistik-Bild, wie in 9c gezeigt ist, zur Klassifikation ausgegeben werden, wobei die Grauwerte des Hintergrundes 8, der bitumenumhüllten Gesteinsoberfläche und der bitumenfreien Gesteinsoberfläche angegeben sind. Die 9a zeigt die zugehörige Pixel-Grauwert-Verteilung an.
Ein Möglichkeit der diffusen Beleuchtung besteht auch darin, die Probe aus bitumenumhülltem Gestein 1 auf einem Leuchttisch zu positionieren und die diffuse Beleuchtung unterhalb des lagernden Gesteins 1 von unten zum Gestein 1 gerichtet durchzuführen.
Die diffuse Beleuchtung spielt in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Rolle, dass Schattenwurf und störende Reflexionen weitgehend reduziert werden sollen. Eine flächige Beleuchtung bewirkt eine homogene Ausleuchtung des Gesteins 1, weil das Licht von allen Seiten mit gleicher Stärke einstrahlt. Ideal kann für die diffuse Beleuchtung Tageslicht bei bewölktem Himmel sein oder auch eine Dombeleuchtung kann als diffuse Beleuchtung bereitgestellt werden.
Um den Umhüllungsgrad des Bitumens 2 an den Gesteinen 1 zu bestimmen, wird von der Gesamtfläche aller registrierten Gesteine 1 der Probe die mit einem hellen Helligkeitswert versehenen Flecken auf den Gesteinen 1 der Probe subtrahiert und durch die Gesamtfläche aller beteiligten Gesteine 1 der Probe dividiert. Der Umhüllungsgrad kann auch bestimmt werden, indem die mit einem dunklen Helligkeitswert versehenen Flecken auf den Gesteinen 1 der Probe durch die Gesamtfläche der Gesteine 1 der Probe dividiert werden.
Das vorgestellte Verfahren wird in einer ersten Phase im Rahmen von Reihentests unterschiedlicher Gesteins-Bitumen-Mischungen zusammen mit dem probabilistischen Segmentierungsverfahren und dem subjektiven Schätzverfahren evaluiert. Da bisher kein Verfahren zur Bestimmung des Umhüllungsgrades mit übergeordneter Genauigkeit und Zuverlässigkeit vorlag, konnte gemäß dem Stand der Technik die Beurteilung der Ergebnisse nur über Einschätzungen und manuelle Klassifikationen erfolgen.
Mit der im erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten multidirektionalen Reflexionsanalyse traten folgende Vorzüge zu Tage:

– ein einfaches Beleuchtungsmanagement,
– eine geringere Fremdlichtanfälligkeit,
– eine schnelle Datenverarbeitung durch wenig rechenintensive Algorithmen (Echtzeitfähigkeit),
– eine geringe Fehleranfälligkeit und
– die Bestimmung des Umhüllungsgrades ist unabhängig von Gesteinsfarbe.

Der Aufwand des Messaufbaus (Kamera, Laserdiode/Laser und zugehörigen Modulen, Computer) der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10 und 50 der sind gemessen an der Ersparnis an Zeit und Personal als gering einzustufen.
Die Schaffung von Referenzproben mit bekannter Überdeckung ist dabei von zentraler Bedeutung.
Das angegebene Beispiel bezieht sich auf Bitumen und auf bitumenumhülltes Gestein. Mit der Erfindung kann auch eine allgemeine Erweiterung auf Bindemittel mit bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterialien, die sich optisch reflektiv vom Bindemittel abheben, vorgenommen werden.
Bezugszeichenliste

1: bindemittelumhülltes gebrochenes Festmaterial
2: Bindemittel
3: diffuse Beleuchtung
4: diffuse Reflexion
5: gerichtete Reflexion
6: gerichtete Reflexion
7: gerichtete Beleuchtung
8: Hintergrund
9: Hintergrundbild
10: erste Vorrichtung
11: erste Laserdiode
12: zweite Laserdiode
13: Kamera
14: dritte Laserdiode
15: vierte Laserdiode
16: Auswerteeinheit
17: Ausgabeeinheit
18: erstes parallel zu verarbeitendes Bild
19: zweites parallel zu verarbeitendes Bild
20: drittes parallel zu verarbeitendes Bild
21: viertes parallel zu verarbeitendes Bild
22: erster Schritt
23: zweiter Schritt
24: dritter Schritt
25: vierter Schritt
26: fünfter Schritt
27: sechster Schritt
28: siebter Schritt
29: achter Schritt
30: neunter Schritt
31: zehnter Schritt
32: elfter Schritt
33: Linienlaser
34: erste Strahlungsposition
35: zweite Strahlungsposition
36: erste Sequenz
37: zweite Sequenz
38, 38': erstes Folgebild
39, 39': zweites Folgebild
40, 40': drittes Folgebild
41: erstes Maxstore-Bild
42: Maxstore-Algorithmus
43: zweites Maxstore-Bild
44: Minstore-Bild
45: Histogramm im Minstore-Bild
46: Ereignis-Bild
47: Schritt
48: Schritt
49: Linie des Linienlasers
50: zweite Vorrichtung
51: Feld im Ablaufdiagramm des Minstore-Algorithmus
52: Feld im Ablaufdiagramm des Maxstore-Algorithmus

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemittel (2) an bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel (2) optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial (1), wobei als Umhüllungsgrad das Verhältnis der ermittelten Fläche des Bindemittels (2) zur Gesamtfläche des untersuchten bindemittelumhüllten Festmaterials (1) definiert wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Einsatz mindestens einer Beleuchtungsquelle (11, 12, 13, 14; 33) mit einem geringen Wellenlängenbereich auf mindestens zwei voneinander beabstandeten Strahlungspositionen (34, 35) und einer Kamera (13) zur Aufnahme von reflektierten Bildern (18, 19, 20, 21; 38, 39, 40, 38', 39', 40'), – Gerichtete Beleuchtung des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials (1) mit einem Strahlenbündel (7) der Beleuchtungsquelle (11, 12, 13, 14; 33), – Ausbildung von diffusen Reflexionen des gerichtet eingestrahlten Strahlenbündels (7) an im optischen Sinne rauen Flächen des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials (1), – Ausbildung einer gerichteten Reflexion (6) des gerichtet eingestrahlten Strahlenbündels (7) an glatten Flächen des Bindemittels (2) des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials (1), – Registrierung der multidirektionalen Reflexionen am Bindemittel (2) und am bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterial (1) durch die Kamera (13) und Auswertung durch eine mit ihr verbundene Auswerteeinheit (16), – Bestimmung des Umhüllungsgrades als Verhältnis aus den reflektiv registrierten glatten Flächen des Bindemittels (2) und der reflektiv ermittelten Gesamtfläche des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials (1) in der Auswerteeinheit (16).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die mindestens eine Beleuchtungsquelle (11, 12, 14, 15) mit einem schmalen Wellenlängenbereich mindestens eine Laserdiode für eine flächenhafte Beleuchtung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass folgende weitere Schritte durchgeführt werden: – Einsatz einer orts- und richtungskonstanten Kamera (13), – gerichtete Beleuchtung des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen durch Positionsänderung der Beleuchtungsquelle (11) oder von mindestens zwei Beleuchtungsquellen (11, 12, 14, 15) an unterschiedlichen Strahlungspositionen, – Erzeugen von Aufnahmen (18, 19, 20, 21) bei Beleuchtung aus den vorgegebenen unterschiedlichen Richtungen mittels der orts- und richtungskonstanten Kamera (13) (gemäß Schritt 22), – Vergleich der aus mindestens zwei unter unterschiedlicher Beleuchtungsrichtung registrierten Aufnahmen (18, 19, 20, 21) in der Auswerteeinheit (16), die mit der Kamera (13) verbunden ist (im Schritt 23) mittels eines Minstore-Algorithmus, wobei ein Minstore-Bild (44) erzeugt wird, – Auswertung des Minstore-Bildes mit unterschiedlichen Helligkeiten und Grauwerten von Festmaterial (1) und Bindemittel (2) in der Auswerteeinheit (16), – Ausgabe des bestimmten Umhüllungsgrades über eine an die Auswerteeinheit (16) angeschlossene Ausgabeeinheit (17) (in den Schritten 31, 32).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit mindestens einer Laserdiode (11, 12, 14, 15) aufgenommenen und parallel zu verarbeitenden Bilder (18, 19, 20, 21) mittels eines Minstore-Algorithmus bearbeitet werden, wobei ein Minstore-Bild (44) erzeugt wird, wobei gemäß dem Minstore-Algorithmus in den parallel zu verarbeitenden Bildern (18, 19, 20, 21) für jede Pixelposition die jeweiligen Grauwerte verglichen werden und der niedrigere Grauwert (min) dann in das Minstore-Bild (44) übernommen wird, wobei das Minstore-Bild (44) von etwaigen Störungen befreit und Bindemittelflächen (2) als dunkle Flächen gezeigt werden, welche sich klar vom Festmaterial (2) mit hellen Flächen abheben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine Beleuchtungsquelle (33) mit einem schmalen Wellenlängenbereich mindestens ein Linienlaser für linienhafte Beleuchtung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte vorgesehen sind – Einsetzung einer Kamera (13), die zumindest zwischen zwei vorgegebenen Strahlungspositionen (34, 35) des Linienlasers (33) oder zwischen mindestens zwei Linienlasern angeordnet wird, – Gewährleistung der Konstanz der Position und Ausrichtung der Kamera (3) während der Bildaufnahme, – Abscannen des bindemittelumhüllten gebrochenen Festmaterials in einer Anfangsrichtung und Aufnahme einer ersten Sequenz (36) aus mehreren Bildern (38, 39, 40) des bindemittelumhüllten Festmaterials (1) durch die Kamera (13) (im Schritt 22) mit Fusionierung zu einem Maxstore-Bild bei der ersten Strahlungsposition (34) bei gerichteter Beleuchtung (7) (im Schritt 47), – danach Abscannen quer zur Anfangsrichtung von einer zweiten Strahlungsposition (35) aus und Aufnahme einer zweiten Sequenz (37) aus mehreren Bildern (38', 39', 40') des bindemittelumhüllten Festmaterials (1) durch die Kamera (13) (im Schritt 22) mit Fusionierung zu einem anderen Maxstore-Bild bei der zweiten Strahlungsposition (35) bei gerichteter Beleuchtung (7) (im Schritt 47 und im Schritt 48), – Auswertung der Maxstore-Bilder (41, 43) (im Schritt 23).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Maxstore-Bilder (41, 43) folgende Schritte aufweist – Vorlage der in ein Datensatzformat umgewandelten Bildersequenzen (36, 37) mit unterschiedlicher gerichteter Beleuchtung (7) von verschiedenen Strahlungspositionen (34, 35) des mindestens einen Linienlasers (33) aus, – Überführung der jeweiligen Sequenz (36, 37) mittels eines Maxstore-Algorithmus in ein jeweiliges Maxstore-Bild (41, 43) mit Vergleich der Einzelbilder (38, 39, 40; 38', 39', 40') und Ablegung des maximal vorkommenden Grauwerts (max) für jede Pixelposition im jeweiligen Maxstore-Bild (41, 43), – Eliminierung der Überstrahlungen (Reflexe) durch rechnerische Kombination der Maxstore-Bilder (41, 43) in ein Minstore-Bild (44) (im Schritt 24), wobei mittels eines Minstore-Algoritmus in beiden Maxstore-Bildern (41, 43) für jede Pixelposition die jeweiligen Grauwerte verglichen werden und der niedrigere Grauwert (min) in ein Bindemittel-Bild (in Schritt 26) übernommen wird, wodurch das Bindemittel (2) als dunkle Fläche ausgewiesen wird, die sich vom Festmaterial (1) mit hellen Flächen deutlich abhebt, – Ermittlung eines Schwellwertes zwischen Bindemittel (2) und Festmaterial (1) und Berechnung eines binären Bildes (45) für die Bindemittelflächen (im Schritt 25), – Rechnerische Subtraktion der Fläche des Bindemittels (2) von der Gesamtfläche des bindemittelumhüllten Festmaterials (1), – Trennung des Hintergrundes (8) vom Minstore-Bild des bindemittelumhüllten Festmaterials (1) (im Schritt 30), wobei die Trennung mit Hilfe der Analyse einer einzelnen Aufnahme mit diffuser Tageslichtbeleuchtung (3) (im Schritt 27) erfolgt, – Durchführung der Analyse (im Schritt 28) mittels Erzeugung eines Kontrastbildes in einem Segmentierungsschritt (28) und Extrahierung der bindemittelfreien, im Hintergrundbild (9) vorhandenen Segmente, die die Festmaterialflächen darstellen (im Schritt 29), wobei sich ein Extraktionsbild ergibt, – Kombination des Extraktionsbildes (9) (im Schritt 30) mit dem Minstore-Bild (44) (aus Schritt 24) zu einem resultierenden Ergebnis-Bild, das in drei Klassen: Hintergrund, Festmaterial und Bindemittel, unterteilt ist (im Schritt 31 und im Schritt 32), – Bestimmung des Umhüllungsgrades des Bindemittels (2) (aus den Schritten 31, 32) und Ausgabe des bestimmten Umhüllungsgrades.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auswertung eine Histogrammanalyse eingesetzt wird oder eine Klassifikation des Minstore-Bildes nach Bindemittel (2) und Festmaterial (1) durch eine segmentbasierte Klassifikation durchgeführt wird, wobei zunächst benachbarte Pixel mit ähnlichen Eigenschaften zu Segmenten zusammengefasst werden und die Eigenschaften der Segmente, wie mittlere Helligkeit oder Varianz der Grauwerte, dann analysiert werden, wobei die Gesamtheit der Segmente in drei Klassen ähnlicher spektraler Eigenschaften, nämlich Hintergrund (8), Festmaterial (1) und Bindemittel (2), unterteilt wird und wobei zuvor der Hintergrund (8) auf der Basis eines unter diffuser Beleuchtung (3) erstellten Bildes derart extrahiert wird, dass sich die Klassifizierung auf zwei Klassen – Bindemittel (2) und Festmaterial (1) – reduziert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel (2) das im Straßenbau eingesetzte Bitumen und als bindemittelumhülltes, gebrochenes und vom Bindemittel optisch reflektiv unterschiedliches Festmaterial (1) bitumenumhülltes Gestein verwendet werden.
Vorrichtung (10; 50) zur Bestimmung des Umhüllungsgrades von Bindemittel (2) an bindemittelumhülltem gebrochenem, zum Bindemittel (2) optisch unterschiedlich reflektierendem Festmaterial (1), wobei als Umhüllungsgrad das Verhältnis der ermittelten Fläche des Bindemittels (2) zur Gesamtfläche des untersuchten bindemittelumhüllten Festmaterials (1) definiert wird, unter Einsatz des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus folgenden Baugruppen besteht – aus einer positionierten Kamera (13) zur Aufnahme von Bildern (18, 19, 20, 21; 38, 39, 40, 38', 39', 40') des zu untersuchenden bindemittelumhüllten Festmaterials (1), – aus mindestens einer Beleuchtungsquelle (11, 12, 14, 15; 33) mit einem schmalen Wellenlängenbereich und mit einer gerichteten Strahlung, wobei mindestens zwei unterschiedliche Strahlungspositionen (34, 35) für die Beleuchtungsquelle/n (33) in Richtung des bindemittelumhüllten Festmaterials (1) vorgegeben sind, – aus einer Auswerteeinheit (16) mit einer Umwandlung der Bilder (18, 19, 20, 21; 38, 39, 40, 38', 39', 40') in Datensatzformat und zumindest mit einem Grauwert-Vergleichsalgorithmus bezüglich der Pixel der in Datensatzformat umgewandelten Aufnahmebilder (18, 19, 20, 21; 38, 39, 40, 38', 39', 40'), wobei die Auswerteeinheit (16) mit einem Computer versehen ist, der programmtechnische Mittel zur Auswertung der digitalisierten Aufnahmebilder (18, 19, 20, 21; 38, 39, 40, 38', 39', 40') der Kamera (13) und zur Bestimmung des Umhüllungsgrades des Bindemittels (2) aufweist, und – aus einer Ausgabeeinheit (17) zur Darstellung des bestimmten Umhüllungsgrades.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die programmtechnischen Mittel Grauwerte ermittelnde und vergleichende Algorithmen-Maxstore-Algorithmus und Minstore-Algorithmus – zur Auswertung der digitalisierten Aufnahmebilder (18, 19, 20, 21; 38, 39, 40, 38', 39', 40') der Kamera (13) und Algorithmen zur Bestimmung des Umhüllungsgrades des Bindemittels (2) aus den Messungen der multidirektionalen Reflexion erhaltenen Flächenstrukturen von Bindemittel (2), Festmaterial (1) und Hintergrund (8) darstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (3) mit einem Sperrfilter für den Durchlass des schmalen Wellenlängenbereichs der Beleuchtungsquelle (11, 12, 14, 15; 33) zur Verhinderung von Fremdlichteinstrahlung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (2) das im Straßenbau eingesetzte Bitumen und das bindemittelumhüllte, gebrochene und vom Bindemittel optisch reflektiv unterschiedliche Festmaterial (1) ein bitumenumhülltes Gestein sind.