DE102010038177B3 - Erfassen eines die Bilder von Punktemustern beeinflussenden Zustands eines Objekts - Google Patents
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Abstract
Bei einem optischen Messverfahren werden aus mindestens einer Blickrichtung (7) auf ein Objekt (1) Bilder mindestens eines zweidimensionalen Punktemusters (5) zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen und mit einem Referenzbild des Punktemusters (5) verglichen, um einen die Bilder des Punktemusters (5) beeinflussenden Zustands das Objekt (1) zu erfassen. Zur Erhöhung der räumlichen Auflösung und/oder der Genauigkeit des Messverfahrens werden zu demselben Zustand des Objekts (1) aus derselben Blickrichtung (7) Bilder unterschiedlicher Punktemuster (5) aufgenommen und mit zugehörigen Referenzbildern verglichen.
Description
- TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
- Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Messverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und auf eine optische Messvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 12.
- Damit bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Erfassen eines Zustands eines Objekts, der sich auf die Bilder von Punktemustern auswirkt, wenn diese Bilder mit Blickrichtung auf das Objekt aufgenommen werden.
- STAND DER TECHNIK
- Ein optisches Messverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der
DE 199 42 856 A1 bekannt. Hier wird der Zustand eines Phasenobjekts, der sich auf die Bilder eines durch das Phasenobjekt hindurch aufgenommenen Punktemusters auswirkt, erfasst. - Ein weiteres optisches Messverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine zugehörige optische Messvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 12 sind aus der
DE 103 41 959 A1 bekannt. Hier wird ein Punktemuster auf eine diffus reflektierende Oberfläche aus einer definierten Richtung projiziert und in Bildern der Oberfläche analysiert. Aus der Lage der Punkte in den Bildern wird auf den Verlauf der Oberfläche geschlossen. Dabei kann durch Vergleich der Lage der Punkte mit einem Referenzbild des Punktemusters, das einem bestimmten Verlauf der Oberfläche entspricht, sehr genau auf Deformationen der Oberfläche geschlossen werden. Das Punktemuster kann ein stochastisches Punktemuster sein und bei der Auswertung können statistische Verfahren zur Anwendung kommen, die aus der Particle Image Velocimetry (PIV) grundsätzlich bekannt sind. - Ein weiteres optisches Messverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine zugehörige optische Messvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 12 sind aus der
DE 10 2006 006 876 A1 bekannt. Hier werden Deformationen einer spiegelnden Oberfläche anhand von Deformationen eines Spiegelbilds eines Punktemusters in der spiegelnden Oberfläche erfasst. - Aus der
DE 36 00 672 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Verformung und Bewegung aus Bildern mit projizierten Mustern bekannt. Das Verfahren umfasst die Kombination der Erzeugung einer Verschiebung eines projizierten Musters relativ zum Messobjekt, die Aufnahme und Abspeicherung von Bildern des Messobjekts bei verschiedenen Lagen des Musters und bei verschiedenen Verformungszuständen oder Ortzuständen des Objekts und eine punktweise Berechnung von Verformungs- und Bewegungskomponenten mittels der abgespeicherten Bilder. Die Auswertung der Musteränderung erfolgt mit Hilfe der Moiré-Technik, d. h. das Muster ist ein Linienmuster. In der Moiré-Technik ergibt sich aus der Aufnahme eines einzelnen Bilds des Messobjekts mit dem projizierten Linienmuster noch keine Möglichkeit, die Verformungs- und Bewegungskomponenten des jeweiligen Objekts zu ermitteln. Vielmehr ist hierfür eine Mehrzahl von Bildern des Messobjekts bei verschiedenen Lagen des Musters erforderlich. - Aus der
US 2010/0158322 A1 - AUFGABE DER ERFINDUNG
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Messverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 12 aufzuzeigen, mit denen die räumliche Auflösung und/oder die Genauigkeit bei der Erfassung des die Bilder der Punktemuster beeinflussenden Zustands des Objekts wesentlich erhöht werden kann.
- LÖSUNG
- Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein optisches Messverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine optische Messvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Messverfahrens und der neuen Messvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
- WEITERER STAND DER TECHNIK
- In der PIV ist es bekannt, über mehrere Korrelationsfunktionen, die jeweils zu einem PIV-Doppelbild oder einem Paar von nacheinander aufgenommenen PIV-Bildern erstellt wurden, zu mitteln, um statistisch besser abgestützte Ergebnisse zu erzielen (s. Meinhart et al.: ”A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields” in Journal of Fluids Engineering, Juni 2000, Vol. 122, S. 285–289).
- Aus der
WO 2004/005941 A1 - Darüber hinaus ist es bekannt, die statistische Auswertbarkeit von PIV-Doppelbildern dadurch zu erhöhen, dass das Blickfeld einer Kamera zwischen den beiden Teilaufnahmen eine PIV-Doppelbilds definiert verschoben wird, so dass die einander zugehörigen Bilder einzelner Partikel einen definierten Grundversatz aufweisen (Delnoij et al.: ”Ensemble correlation PIV applied to bubble plumes rising in a bubble column” in Chemical Engineering Science 54 (1999) 5159–5171).
- BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Bei dem neuen optischen Messverfahren werden zu demselben Zustand des Objekts aus derselben Abbildungsrichtung nacheinander Bilder unterschiedlicher stochastischer Punktemuster aufgenommen und mit zugehörigen Referenzbildern verglichen. Mit der Aufnahme jedes zusätzlichen Bilds eines stochastischen Punktemusters wächst die Menge an Informationen über den Zustand des Objekts. Dies beruht darauf, dass Verschiebungen von Punkten, die unterschiedliche Relativlagen zu dem Objekt aufweisen, beobachtet werden, Insoweit erfolgt eine Art Abtastung des jeweiligen Objekts.
- Vorzugsweise werden zu demselben Zustand des Objekts aus derselben Abbildungsrichtung mindestens vier, noch mehr bevorzugt mindestens 9 und am meisten bevorzugt mindestens 16 Bilder unterschiedlicher Punktemuster aufgenommen und mit zugehörigen Referenzbildern verglichen. Ohne Berücksichtigung systematischer Fehlern und der Grenzen der Graustufenauflösung der verwendeten Kamera(s) ist bei gegebener räumlicher Auflösung eine Genauigkeitserhöhung bei dem neuen optischen Messverfahren um einen Faktor sqrt(N) erreichbar, wobei N die Anzahl der verschiedenen Punktemuster ist.
- Es versteht sich, dass das neue optische Messverfahren auch stereoskopisch durchgeführt werden kann, indem Bilder jedes Punktemusters aus mindestens zwei Blickrichtungen aufgenommen werden.
- Die unterschiedlichen Punktemuster können nicht nur unterschiedliche Punktlagen sondern auch unterschiedliche Punktdichten aufweisen. Dies ist aber keinesfalls grundsätzlich bevorzugt. Vielmehr können alle unterschiedlichen Punktemuster vorzugsweise eine gleiche Punktdichte aufweisen, wie sie für die Auswertung der Bilder des Punktemusters optimal ist.
- Mehrere oder gar alle der unterschiedlichen Punktemuster können bei dem neuen Messverfahren auf einem selben Punktemuster basieren, das in unterschiedlichen Relativlagen zu der Blickrichtung angeordnet wird, um die unterschiedlichen Punktemuster auszubilden. D. h., die unterschiedlichen Punktmuster können sich ausschließlich in einem definierten Versatz ihrer Punkte unterscheiden.
- Die stochastischen Punktemuster können mit den zugehörigen Referenzbildern durch statistische Verfahren verglichen und beispielsweise unter Berechnung von Korrelationsfunktionen ausgewertet werden. Diese Vergleichsergebnisse zu den Bildern der unterschiedlichen Punktemuster mit den Referenzbildern der zugehörigen Punktemuster können, z. B. durch einfache Addition oder Mittelung, für denselben Zustand des Objekts zusammengefasst werden.
- Die Bilder der Punktemuster sind vorzugsweise Graustufenbilder, die die volle Intensitätsauflösung der zum Aufnehmen der Bilder verwendeten Kamera ausnutzen und für ihre Auswertung zur Verfügung stellen.
- Bei dem neuen Messverfahren können die unterschiedlichen zweidimensionalen Punktemuster auf eine diffus reflektierende Oberfläche projiziert werden, dabei kann die Oberfläche direkt das Objekt sein, dessen Verformungszustand nach einem aus der
DE 103 41 959 A1 bekannten Verfahren erfasst wird. Das Objekt kann aber auch ein vor den unterschiedlichen zweidimensionalen Punktemustern angeordnetes Phasenobjekt sein, dessen Zustand gemäß derDE 199 42 856 A1 erfasst wird. Weiterhin ist es möglich, dass Spiegelbilder der unterschiedlicher zweidimensionalen Punktemuster in einer spiegelnder Oberfläche aufgenommen werden, die das Objekt ist, dessen Verformungszustand gemäß derDE 10 2006 006 876 A1 erfasst wird. - Die neue optische Messvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Darstellungseinrichtung unterschiedliche zweidimensionale stochastische Punktemuster auf einer Oberfläche darstellt oder auf die Oberfläche projiziert, während das Objekt in demselben Zustand ist, dass die Kamera zu demselben Zustand des Objekts aus derselben Blickrichtung Bilder der unterschiedlichen Punktemuster aufnimmt und dass eine Auswerteeinrichtung zu demselben Zustand des Objekts aus derselben Blickrichtung aufgenommene Bilder der unterschiedlichen Punktemuster mit zugehörigen Referenzbildern vergleicht und diese Vergleichsergebnisse zusammenfasst. Dabei kann die Darstellungseinrichtung eine Verlagerungsrichtung aufweisen, um basierend auf einem selben Punktemuster die unterschiedlichen Punktemuster auf der Oberfläche darzustellen oder auf diese zu projizieren.
- Weiterhin kann eine Triggereinrichtung zur Synchronisation der Darstellungseinrichtung und der Kamera mit einer bestimmten Phasenlage eines periodischen Vorgangs als demselben Zustand des Objekts vorgesehen sein. Auf diese Weise wird eine phasenstarre Mittelung der Vergleichsergebnisse zwischen den Bildern der einzelnen Punktemuster und den zugehörigen Referenzbildern ermöglicht. Bei statischen Objekten kann eine direkte (zeitliche) Mittelung erfolgen.
- Statt der Verlagerungseinrichtung kann die Darstellungseinrichtung z. B. auch einen direkt zur Darstellung bzw. Projektion unterschiedlicher Punktemuster ansteuerbaren Bildschirm oder Projektor aufweisen.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile von erfindungsgemäßen Ausführungsformen zwingend erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
- KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
-
1 skizziert ein erfindungsgemäßes BOS-Verfahren; -
2 skizziert ein erfindungsgemäßes PROPAC-Verfahren; und -
3 skizziert ein erfindungsgemäßes REPAC-Verfahren. - FIGURENBESCHREIBUNG
- Das in
1 skizzierte BOS (Background Oriented Schlieren)-Verfahren entspricht grundsätzlich dem, was in derDE 199 42 856 A1 offenbart ist. Ein Zustand eines Phasenobjekts1 , hier einer aus einer Düse2 austretende Gasströmung3 , wird bezüglich der von ihm verursachten Druckverteilung und den hieraus resultierenden Dichtegradienten dadurch erfasst, dass Bilder eines auf einen Bildschirm4 dargestellten Punktemusters5 durch das Phasenobjekt1 hindurch mit einer Kamera6 aufgenommen werden. Diese Bilder werden mit Referenzbildern des Punktemusters5 verglichen, bei denen es sich um Bilder des Punktemusters5 ohne das Phasenobjekt1 oder um Bilder des Punktemusters5 handeln kann, die durch ein bekanntes Phasenobjekt1 mit definierten Druckgradienten hindurch aufgenommen wurden. Erfindungsgemäß werden auf dem Bildschirm4 nacheinander unterschiedliche Punktemuster5 dargestellt. Von jedem dieser Punktemuster5 wird durch das Phasenobjekt1 hindurch ein Bild mit der Kamera6 aus einer selben Blickrichtung7 aufgenommen und mit dem jeweils zugehörigen Referenzbild des Punktemusters5 verglichen. Diese Vergleichsergebnisse werden anschließend zusammengefasst. Der Bildschirm4 kann ein hochauflösender LCD-Bildschirm sein, der die unterschiedlichen Punktemuster5 in Form unterschiedlicher stochastischer Punktemuster während desselben Zustands des Phasenobjekts1 nacheinander darstellt. -
2 skizziert ein grundsätzlich aus derDE 103 41 959 A1 bekannte PROPAC (Projected Pattern Correlation)-Verfahren, bei dem mit einem Projektor8 Punktemuster auf eine diffus reflektierende Oberfläche9 projiziert werden, von denen die Kamera6 Bilder in der Blickrichtung7 aufnimmt. Die Oberfläche9 ist hier selbst das Objekt10 , dessen Zustand von Interesse der Verlauf der Oberfläche9 ist. Dabei kann es sich um den absoluten Verlauf der Oberfläche9 oder um Abweichungen der Oberfläche9 von einer Referenzoberfläche handeln. Im letzteren Fall entsprechen die Referenzbilder, mit denen die Bilder des Punktemusters5 verglichen werden, dieser Referenzoberfläche, Der Projektor8 projiziert auf dieselbe Oberfläche9 nacheinander unterschiedliche Punktemuster, indem seine Projektionsrichtung11 in diskreten Schritten in Richtung der Schwenkpfeile12 verschwenkt oder in Richtung der Verschiebepfeile13 verschoben wird. D. h., die verschiedenen Punktemuster5 basieren alle auf demselben Punktemuster, sind aber insoweit unterschiedlich, als dass sie eine unterschiedliche Orientierung zu der Blickrichtung7 der Kamera6 aufweisen. Hierdurch ergibt sich in den unterschiedlichen Bildern, die in der Blickrichtung7 mit der Kamera6 aufgenommen werden, und deren Vergleich mit den zugehörigen Referenzbildern ein stetiger Zuwachs an Informationen über den Verlauf der Oberfläche9 in grundsätzlich derselben Weise wie durch unterschiedliche Punktemuster5 , die in derselben Projektionsrichtung11 auf die Oberfläche9 projiziert werden. -
3 skizziert ein REPAC (Reflected Pattern Correlation)-Verfahren, wie es grundsätzlich aus derDE 10 2006 006 876 A1 bekannt ist. Hier wird mit der Kamera6 in der Blickrichtung7 ein Spiegelbild14 des Punktemusters5 abgebildet, das sich in einer spiegelnden Oberfläche15 des Objekts10 spiegelt, deren Verformungszustand hier von Interesse ist. Das Punktemuster5 wird auf einem transluzenten Schirm16 mittels eines den Schirm16 von hinten beleuchtenden Projektors8 dargestellt. Dabei ist der Projektor8 hier ein digitaler Projektor, um nacheinander unterschiedliche Punktemuster5 auf dem Schirm16 darzustellen, damit die Kamera6 zu jedem dieser unterschiedlichen Punktemuster5 ein Bild des zugehörigen Spiegelbilds14 aufnehmen kann, das anschließend in einer hier nicht dargestellten Auswerteeinrichtung mit dem jeweils zugehörigen Referenzbild verglichen wird. Bei den Referenzbildern kann es sich auch hier um Referenzbilder handeln, die dem Spiegelbild14 des zugehörigen Punktemusters5 bei einem definierten Verlauf der reflektierenden Oberfläche15 entsprechen. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Phasenobjekt
- 2
- Düse
- 3
- Gasströmung
- 4
- Bildschirm
- 5
- Punktemuster
- 6
- Kamera
- 7
- Blickrichtung
- 8
- Projektor
- 9
- Oberfläche
- 10
- Objekt
- 11
- Projektionsrichtung
- 12
- Schwenkpfeil
- 13
- Verschiebepfeil
- 14
- Spiegelbild
- 15
- Oberfläche
- 16
- Schirm
Claims (14)
- Optisches Messverfahren, bei dem aus mindestens einer Blickrichtung (
7 ) auf ein Objekt (1 ,10 ) Bilder mindestens eines zweidimensionalen stochastischen Punktemusters (5 ) zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen und mit einem Referenzbild des stochastischen Punktemusters (5 ) verglichen werden, um einen die Bilder des Punktemusters (5 ) beeinflussenden Zustand des Objekts (1 ,10 ) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass zu demselben Zustand des Objekts (1 ,10 ) aus derselben Blickrichtung (7 ) Bilder unterschiedlicher stochastischer Punktemuster (5 ) aufgenommen und mit jeweils zugehörigen Referenzbildern verglichen werden. - Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu demselben Zustand des Objekts (
1 ,10 ) aus derselben Blickrichtung mindestens 4, vorzugsweise mindestens 9 und am meisten bevorzugt mindestens 16 Bilder unterschiedlicher Punktemuster (5 ) aufgenommen und mit zugehörigen Referenzbildern verglichen werden. - Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Punktemuster (
5 ) gleiche oder unterschiedliche Punktdichten aufweisen. - Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der unterschiedlichen Punktemuster (
5 ) auf einem selben Punktemuster (5 ) basieren, das in unterschiedlichen Relativlagen zu der Blickrichtung (7 ) angeordnet wird. - Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder der unterschiedlichen Punktemuster (
5 ) durch statistische Verfahren mit den Referenzbildern der zugehörigen Punktemuster (5 ) verglichen werden. - Messverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsergebnisse zu den Bildern der unterschiedlichen Punktemuster (
5 ) mit den Referenzbildern der zugehörigen Punktemuster (5 ) für denselben Zustand des Objekts (1 ,10 ) zusammengefasst werden. - Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder der unterschiedlichen Punktemuster (
5 ) Graustufenbilder sind. - Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen zweidimensionalen Punktemuster (
5 ) auf eine diffus reflektierende Oberfläche (9 ) projiziert werden. - Messverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (
9 ) das Objekt (10 ) ist, dessen Verformungszustand erfasst wird. - Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt ein vor den unterschiedlichen zweidimensionalen Punktemustern angeordnetes Phasenobjekt (
1 ) ist. - Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spiegelbilder (
14 ) der unterschiedlichen zweidimensionalen Punktemuster (5 ) in einer spiegelnden Oberfläche (15 ) aufgenommen werden, die das Objekt (10 ) ist, dessen Verformungszustand erfasst wird. - Optische Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einer Darstellungseinrichtung, um zweidimensionale Punktemuster (
5 ) auf einer Oberfläche (9 ,15 ) darzustellen oder auf die Oberfläche (9 ,15 ) zu projizieren, mit mindestens einer Kamera (6 ), um aus mindestens einer Blickrichtung (7 ) auf ein Objekt (1 ,10 ) Bilder mindestens eines zweidimensionalen stochastischen Punktemusters (5 ) zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufzunehmen, und mit einer Auswerteeinrichtung, um ein aufgenommenes Bild mit einem Referenzbild des zugehörigen stochastischen Punktemusters (5 ) zu vergleichen, um einen die Bilder des Punktemusters (5 ) beeinflussenden Zustand des Objekts (1 ,10 ) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellungseinrichtung, während das Objekt (1 ,10 ) in demselben Zustand ist, unterschiedliche zweidimensionale stochastische Punktemuster (5 ) auf der Oberfläche (9 ,10 ) darstellt oder auf die Oberfläche (9 ,10 ) projiziert, dass die Kamera (6 ) zu demselben Zustand des Objekts (1 ,10 ) aus derselben Blickrichtung (7 ) Bilder der unterschiedlichen Punktemuster (5 ) aufnimmt und dass die Auswerteeinrichtung zu demselben Zustand des Objekts (1 ,10 ) aus derselben Blickrichtung (7 ) aufgenommene Bilder der unterschiedlichen Punktemuster (5 ) mit jeweils zugehörigen Referenzbildern vergleicht. - Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellungseinrichtung eine Verlagerungseinrichtung aufweist.
- Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Triggereinrichtung zur Synchronisation der Darstellungseinrichtung und der Kamera (
6 ) mit einer Phasenlage eines periodischen Vorgangs als demselben Zustand des Objekts vorgesehen ist.
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