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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und Auswertung eines Bilds von zumindest einem Abschnitt eines Objekts mit einem optischen Sensor wie einer Kamera.
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Um rauscharme und kontrastreiche Bilder, zum Beispiel zur Bildverarbeitung oder Autofokusmessungen in der Koordinatenmesstechnik, aber auch anderen Technikbereichen zur Verfügung zu stellen, ist es notwendig, entsprechende Integrationszeiten an den Kameras einzustellen. An den erzeugten Aufnahmen werden in der Koordinatenmesstechnik beispielsweise Konturen bzw. Konturpunkte ermittelt. Damit dies mit höchster Genauigkeit erfolgen kann, sind möglichst scharfe Abbildungen zu bevorzugen. Dies setzt jedoch voraus, dass während der Integrationszeit der Kamera das Objekt und die Kamera nicht zueinander verschoben werden. Ansonsten treten Verschmierungseffekte auf, die die Genauigkeit bei der Konturlagenbestimmung beeinträchtigen.
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Um diese Problematik zu umgehen, sind im Stand der Technik Verfahren bekannt, bei denen besonders kurze Integrationszeiten für die Kameras gewählt werden. Problematisch ist hierbei jedoch, dass die Bilder sehr dunkel und damit verrauscht sind. Um zu versuchen, diese Nachteile zu umgehen, können Lichtquellen kurzzeitig über ihre Dauerbelastung hinaus im Blitzbetrieb angesteuert werden.
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Dadurch ist eine höhere Helligkeit erreichbar. Bei besonders schnellen Bewegungen und dunklen Szenen ist dies aber oftmals nicht ausreichend und die Bilder sind entweder zu dunkel und damit verrauscht oder es muss so lang integriert werden, dass die Bildunschärfe zu Messabweichungen führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden, insbesondere ein helles Bild erzeugt wird, das Unschärfen nicht oder nicht in einem Umfang aufweist, dass Messverfälschungen auftreten, insbesondere auch dann, wenn eine Relativbewegung zwischen der Kamera und dem Objekt bzw. des aufzunehmenden Abschnitts erfolgt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird u. a. vorgeschlagen, dass von dem zumindest einen Abschnitt mehrere Einzelbilder aufgenommen werden und dass zur Erzeugung des Bilds die Einzelbilder oder Signale dieser in Bezug auf den zumindest einen Abschnitt zueinander ausgerichtet und zu einem Gesamtbild überlagert werden.
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Insbesondere sieht die Erfindung eine Lösung vor, die sich dadurch auszeichnet, dass von dem einem Abschnitt Einzelbilder oder von mehreren Abschnitten Einzelbilder derart aufgenommen werden, dass Einzelbilder sich zumindest teilweise überlappen, und dass zur Erzeugung des Bilds die Einzelbilder oder Signale dieser in Bezug zueinander ausgerichtet und zu einem Gesamtbild als das Bild des oder der Abschnitte überlagert werden, wobei zum Auswerten des Gesamtbildes Bereiche von Einzelbildern berücksichtigt werden, die sich überlappen.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre wird eine Positionsveränderung zwischen dem optischen Sensor – nachstehend nicht schutzeinschränkend auch als Kamera bezeichnet – und dem zumindest einen Abschnitt des Objekts während der Aufnahmen der Einzelbilder berücksichtigt, so dass ein helles, Bewegungsunschärfen nicht aufweisendes Bild zur Verfügung steht.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zur Bilderzeugung mit einer Kamera, wobei aus mehreren Einzelbildern grundsätzlich durch Überlagerung unter Berücksichtigung des Lageversatzes zwischen den Einzelaufnahmen ein Gesamtbild erzeugt wird.
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Insbesondere werden die Intensitäten mehrerer Einzelaufnahmen überlagert, um ein helleres Gesamtbild zu erzeugen. Da physikalisch bedingt zwischen zwei Einzelaufnahmen immer eine leichte Positionsverschiebung zwischen Kamera und aufgenommenen Messobjektbereich vorliegt, muss diese Lageverschiebung korrigiert werden.
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Dies kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass zu jeder Einzelaufnahme die Position gemessen wird oder anhand der aufgenommenen Bilder die Korrelation untersucht und daraus die Lageabweichung berechnet wird.
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Im nächsten Schritt werden die Einzelaufnahmen entsprechend ihrer Lageabweichung zueinander auf eine gemeinsame Position und vorzugsweise in ein gemeinsames Pixelraster verschoben. Anschließend erfolgt die Überlagerung der Grauwertamplituden zur Bildung eines überlagerten Bildes. Diesem Bild wird zumindestens in den lateralen Richtungen die Messposition des gewählten Pixelrasters zugewiesen. In der verbleibenden dritten Raumrichtung senkrecht zur Bildebene wird vorzugsweise eine Mittelung der Position der überlagerten Einzelaufnahmen zugeordnet.
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Dies bedeutet, dass ein Mittelwert aus den Abstandswerten zur Bildebene berechnet wird. Liegt die Bildebene in der x-y-Ebene wird infolgedessen der dem Bild- bzw. Gesamtbild zuzuordnende Z-Wert durch Mittelung der Einzel-Z-Werte der Einzelbilder berechnet.
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Erfindungsgemäß wird aus Einzelbildern ein Summenbild erzeugt, dass die erforderliche Helligkeit aufweist, ohne dass Bewegungsunschärfen auftreten, so dass der zumindest eine Abschnitt des Objekts ausgewertet und damit gemessen werden kann.
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Es werden die Einzelbilder in Bezug auf den in diesen vorhandenen selben Abschnitt des Objekts zueinander ausgerichtet, um ein Summenbild zu erzeugen, das das Gesamtbild und somit das zu erzeugende Bild ist.
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Das Merkmal, dass von zumindest einem Abschnitt eines zu messenden Objekts Einzelbilder aufgenommen werden, schließt selbstverständlich nicht aus, dass das gesamte Objekt erfasst wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bilderzeugung mit einer Kamera, bei dem mehrere Einzelaufnahmen überlagert werden, die im Wesentlichen den gleichen Abschnitt eines Objektes enthalten, also sich größtenteils überlagernde Objektabschnitte enthalten, wobei die räumliche Lage der Einzelaufnahmen zueinander berücksichtigt wird.
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Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die räumliche Lage der Einzelaufnahmen zueinander unter Zuhilfenahme der Korrelation der Grauwerte der Einzelaufnahmen und/oder unter Zuhilfenahme der zu jeder Einzelaufnahme bestimmten Kameraposition ermittelt wird. Die Kameraposition ergibt sich beispielsweise aus den Positionen der Achsen des Koordinatenmessgerätes in dem die Kamera integriert ist.
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Es erfolgt ein Korrelieren der Grauwerte derart, dass der größte Summenwert gebildet wird. Dieser repräsentiert die größte Übereinstimmung der Einzelbilder in Bezug auf den zumindest einen Abschnitt, der durch scheinbares seitliches Verschieben der zu überlagernden Einzelbilder erzielbar ist.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Überlagerung durch Addition der Intensitäten beziehungsweise Grauwerte der Pixel der Einzelaufnahmen erfolgt.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass vor der Überlagerung der räumliche Lageversatz zwischen den Einzelaufnahmen durch Verschiebung und/oder Drehung, zumindest in der Bildebene der Einzelaufnahmen, korrigiert wird.
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Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass das aus den Einzelaufnahmen erzeugte Bild nur die überlappenden Bildabschnitte enthält, die in allen Einzelaufnahmen vorhanden sind.
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Eigenerfinderisch sieht die Erfindung aber auch vor, dass zur Auswertung des Gesamtbildes zumindest ein überlappungsfreier Bereich eines oder mehrerer Einzelbilder berücksichtigt wird und dass zur Auswertung des überlappungsfreien Bereichs dessen Grauwert auf den Grauwert von auszuwertendem Überlappungsbereich von Einzelbildern normiert wird.
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Somit werden erfindungsgemäß zunächst alle aufgenommenen Einzelbilder bei der Ermittlung und Auswertung des Gesamtbildes berücksichtigt, unabhängig davon, ob sie sich überlappen oder den gleichen oder zumindest größtenteils gleichen Bereich bzw. Abschnitt des Bauteils erfassen. Vorzugsweise wird beim Überlagern der Bilder für Abschnitte, von denen mehrere Einzelbilder vorliegen, die Überlagerung aus den Einzelaufnahmen durchgeführt. Für Abschnitte, von denen nur eine Einzelaufnahme vorliegt, wird eine entsprechende Wichtung der Grauwerte vorgenommen, um gleiche Gesamthelligkeit wie bei den überlagerten Bildern zu erreichen.
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Ganz allgemein zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass die Grauwerte auszuwertender Bereiche normiert werden, insbesondere auf einen Grauwert normiert werden, der dem eines Bereichs mit maximaler Überlappung entspricht.
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Die Erfindung wird jedoch auch dann nicht verlassen, wenn einzelne Bereiche von der Auswertung ausgeschlossen werden.
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Aus der Gesamtheit aller endgültig berücksichtigten Einzelbilder wird ein Gesamtbild zusammengesetzt. An diesem Gesamtbild können Auswertungen mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgen, wie beispielsweise Bestimmung von Kanten oder Abständen von Kanten oder geometrischen Merkmalen.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Überlappungsbereich der Abschnitte kleiner als 100% beträgt, insbesondere zwischen 100% und 10%, vorzugsweise zwischen 100% und 50% liegt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Überlappungsbereich der aufgenommenen Einzelbilder vorzugsweise weniger als 100% des jeweiligen Einzelbilds beträgt.
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In einem bevorzugten Verfahren beträgt die Überlappung ca. 50%, wodurch für jeden Bereich eine Überlagerung von jeweils zwei Einzelbildern erfolgen kann. Alternativ kann die Überlappung auch größer sein, beispielsweise zwischen 60% und 90%. Hierdurch werden je Bereich mehr als zwei Bilder überlagert, wodurch eine noch höhere Helligkeit und damit ein geringeres Rauschen erreicht werden kann. Damit werden noch geringere Integrationszeiten der Kamera möglich. Bei der Überlagerung bzw. Mittelwertbildung wird dann die Anzahl der überlagerten Bilder berücksichtigt, indem eine entsprechende Skalierung erfolgt. Beträgt der Überlappungsbereich weniger als 50%, so entstehen Bereiche, bei denen überlagerte Bilder zur Verfügung stehen und Bereiche, bei denen dies nicht der Fall ist. In Bereichen, für die keine überlagerten Bilder zur Verfügung stehen, wird die Helligkeit durch Skalierung bzw. Wichtung der Grauwerte angepasst auf die Helligkeit der überlagerten Bilder.
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Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Größe des Gesamtbildes größer als die Größe eines Einzelbildes ist.
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Besonders hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Einzelbilder in verschiedenen Drehstellungen des Objektes aufgenommen werden. Somit werden nach einem selbständigen Lösungsvorschlag die Einzelbilder in verschiedenen Drehstellungen eines Messobjektes aufgenommen. Hierdurch ist es möglich, verschiedene Teilbereiche des Messobjektes aufzunehmen, die sich auf der z. B. Mantelfläche eines rotationssymmetrischen Bauteils befinden. Eine Kombination mit einer lateralen Bewegung des Messobjekts zur Erstellung eines in mehreren Dimensionen vergrößerten Gesamtbildes im Vergleich zu den Einzelbildern ist ebenso möglich.
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Auch zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass wahlweise gesamte Fläche oder ein Teilbereich oder mehrere Teilbereiche der Detektionsfläche der Kamera genutzt werden, vorzugsweise eingeschränkte Anzahl von Zeilen.
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Es wird die Bildwiederholrate im Vergleich zum Stand der Technik dadurch deutlich gesteigert, dass nur Teile der zur Verfügung stehenden Zeilen und/oder Spalten einer matrixförmigen Detektionsfläche wie Kamera zur Auswertung verwendet werden.
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Hierbei lassen sich beispielsweise Bildwiederholraten von ca. 300–400 Hz realisieren. Insbesondere an gekrümmten Flächen werden durch Reduzierung der Zeilen oder Spalten nur die Bereiche ausgewertet, welche im Schärfentiefenbereich der verwendeten Abbildungsoptik angeordnet sind.
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Die Auswahl der entsprechenden Bereiche kann entweder manuell, durch fest vordefinierte Angabe eines Messfensters, z. B. in einem Vorablauf bzw. im Rahmen der Erstellung eines Messprogramms, erfolgen und/oder automatisch während des Ablaufs des Messprogramms durch Auswertung des Kontrastes der aufgenommenen Bilder und Auswahl der Zeilen, die einen vordefinierten Grenzwert des Kontrastes überschreiten.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Teilbereiche jeweils durch eine eingeschränkte Anzahl von Zeilen und/oder Spalten der matrixförmigen Detektionsfläche festgelegt bzw. bestimmt werden.
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Die erfindungsgemäße Lehre ermöglicht, dass bei der Aufzeichnung und/oder Verarbeitung der Messwerte von lediglich Teilbereichen der fotosensitiven Detektionsfläche eine erhöhte Messfrequenz verwendet wird.
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Zur Definition der auszuwertenden Teilbereiche vor der eigentlichen Messung eignet sich insbesondere die Definition fest vorgegebener Fenster. Diese können beispielsweise im Rahmen der Messprogrammerstellung festgelegt werden. Hierbei kann der Bediener entweder manuell oder unter Zuhilfenahme von Auswerte-Tools den Bereich des Messfensters definieren, welcher die zu messenden Teilbereiche oder die Bereiche scharfer Abbildungen enthält. Eine Veränderung der auszuwertenden Teilbereiche während des Messablaufes, insbesondere in Echtzeit, kann durch Bestimmung des Kontrastes über das gesamte Bild erfolgen. Die Bestimmung der Kontrastwerte der einzelnen Pixel des Bildes kann dabei entweder direkt in der Kamera, also ohne Übermittlung des Bildes an einen Host-Rechner, oder direkt in der Bildverarbeitungssoftware des Host-Rechners erfolgen. Insbesondere bei Auswertung des Kontrastes im Host-Rechner werden nicht alle, sondern nur einzelne ausgewählte Bilder von der Kamera komplett übermittelt und ausgewertet, um eine möglichst hohe Messfrequenz zu erlauben. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich die Kontrastwerte innerhalb des Bildes deutlich langsamer als die Wiederholfrequenz der Kamera ändern.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass durch Umschaltung der auszuwertenden Teilbereiche eine Anpassung auf den Bereich des Messobjektes erfolgt, der sich im Schärfentiefenbereich der verwendeten Abbildungsoptik befindet.
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Die Erfindung sieht insbesondere vor, dass die räumliche Lage der Einzelaufnahmen zueinander unter Zuhilfenahme der Drehlage des Bauteils ermittelt wird und vorzugsweise die Einzelbilder aufgrund der Krümmung des Objektes entzerrt werden. Bei der Aufnahme von Einzelaufnahmen in unterschiedlichen Drehlagen des Bauteiles werden die Einzelbilder aufgrund der Krümmung des Messobjektes verzerrt. In einem eigenständigen erfinderischen Gedanken wird diese Krümmung der Einzelbilder entzerrt. Unter Zuhilfenahme des bekannten oder nahezu bekannten z. B. vorab eingegebenen Krümmungsradius der Bauteiloberfläche werden die Bereiche im Bild entsprechend der vorliegenden Krümmung entzerrt, in dem die laterale Position der aufgenommenen Pixelinformationen verschoben wird. Dieses im Stand der Technik auch bekannte Abwickeln einer rotationssymmetrischen Mantelfläche führt nach der Entzerrung zunächst zu einem nicht äquidistanten Pixelraster. Dies wird durch Resampling auf ein äquidistantes Pixelraster zur weiteren Auswertung umgerechnet.
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Kennzeichnend für die Erfindung ist des Weiteren, dass die Überlagerung durch Mittelung der Intensitäten bzw. Grauwerte der positionsmäßig einander entsprechenden Pixel der Einzelaufnahme erfolgt und vorzugsweise die sich ergebenden Grauwerte gespreizt werden, vorzugsweise durch Division, vorzugsweise mit einem Faktor, welcher der maximal für ein Pixel zur Überlagerung herangezogenen Anzahl von Grauwerten im Gesamtbild entspricht.
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Durch diese Maßnahmen erfolgt eine Anpassung des auszuwertenden Grauwertbereichs auf einen gemeinsamen Maximalgrauwert.
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Es zeichnet sich die Erfindung insbesondere auch dadurch aus, dass die Bereiche im Gesamtbild unberücksichtigt bleiben, die nach der Überlagerung einen Grauwert unterhalb eines Schwellwertes besitzen, wobei der Schwellwert vorzugsweise 20%, besonders bevorzugte 10% des maximalen Grauwertes beträgt.
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Bereiche im Gesamtbild, deren Grauwert auch nach der Überlagerung bzw. aufgrund dessen, dass keine Überlagerung stattgefunden hat, unterhalb eines Schwellwertes liegt, welcher beispielsweise 20% oder besonders bevorzugt 10% des maximalen Grauwertes beträgt, werden bei der Ermittlung des Gesamtbildes nicht berücksichtigt. Hierdurch werden Bereiche von der Auswertung ausgeschlossen, die ein zu niedriges Signal-Rausch-Verhältnis besitzen.
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Besonders hervorzuheben ist des Weiteren, dass bei der Überlagerung eine Wichtung der Bereiche erfolgt, in denen zumindest eines der für die Überlagerung herangezogenen Einzelbilder im Randbereich vorliegt.
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Bei der Überlagerung erfolgt eine Wichtung der Bereiche, in denen zumindest eines der für die Überlagerung herangezogenen Einzelbilder im Randberiech vorliegt. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Überlagerung weniger als 50% beträgt. Hierbei entstehen im zusammengesetzten überlagerten Bild Bereiche, bei denen eine Überlagerung erfolgen kann, nämlich die Randbereiche der Einzelbilder. In den mittleren Bereichen der Einzelaufnahmen liegt dagegen keine Überlagerung vor. Entsprechend der Anzahl der zur Überlagerung herangezogenen Bilder muss also eine entsprechende Wichtung zur Sicherung gleicher Gesamthelligkeit am überlagerten Bild erfolgen.
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Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass nach der Korrektur des Lageversatzes zwischen den Einzelaufnahmen, die Pixel aller verwendeten Einzelaufnahmen in ein gemeinsames, vorzugsweise äquidistantes Punkteraster durch Resampling umgerechnet werden, wobei für jedes Zielpixel der Grauwert aus den Grauwerten der umgebenden Pixel vorzugsweise durch lineare Interpolationsverfahren oder Mittelungsverfahren berechnet wird.
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Hervorzuheben ist des Weiteren, dass jeweils mehrere Einzelaufnahmen direkt aufeinander folgend aufgenommen werden, vorzugsweise mit kürzerer Integrationszeit als eine Standardintegrationszeit – beispielsweise 20 Millisekunden –, besonders bevorzugt mit Integrationszeiten < 5 Millisekunden oder < 1 Millisekunde oder < 0,5 Millisekunden.
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Erfindungsgemäß werden die Einzelbilder mit kürzeren Integrationszeiten im Vergleich zu der Integrationszeit aufgenommen, in denen üblicherweise ein Bild aufgenommen wird, das ausgewertet wird. Übliche Standardintegrationszeiten können bei 20 Millisekunden liegen, um einen auswertbaren Kontrast sicherzustellen. Diesbezügliche Werte sind jedoch rein beispielhaft zu verstehen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Gesamtintegrationszeit der Einzelbilder kleiner als eine übliche Standardintegrationszeit ist.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes mit einem optischen Sensor wie Kamera, wobei dem Bild eine Integrationszeit T-gesamt zugeordnet wird, bei dem mehrere Einzelaufnahmen, aufgenommen mit Integrationszeiten T1 bis Tn, wobei alle T1 bis Tn mit kürzerer Integrationszeit, wie < 5 ms oder < 1 ms oder < 0,5 ms, aufgenommen werden als T-gesamt, überlagert werden, wobei die räumliche Lage der Einzelaufnahmen zueinander bestimmt und bei der Überlagerung berücksichtigt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zur Bestimmung von Objektpunkten und/oder Konturen und/oder Maßen von Messobjekten, vorzugsweise in einem Koordinatenmessgerät, eingesetzt, wobei das Koordinatenmessgerät Mittel zur Relativbewegung zwischen Messobjekt und Kamera zur Verfügung stellt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verfahren zur Bilderzeugung bei Autofokusmessungen, vorzugsweise mit erhöhter Bewegungsgeschwindigkeit von > 0,3 mm/s oder > 1 mm/s oder > 3 mm/s, als eine Standardbewegungsgeschwindigkeit von ca. 0,3 mm/s bis 0,1 mm/s, oder für die Bilderzeugung für Bildverarbeitungsmessungen während einer Kamerabewegung eingesetzt wird.
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Auch zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass während der Aufnahme der zu überlagernden Einzelaufnahmen eine vorzugsweise blitzartige Beleuchtung eingeschaltet wird, wobei Einzelbildaufnahme, Beleuchtung und Aufnahme der Position der Achsen des Koordinatenmessgerätes derart synchronisiert wird, dass eine exakte Position für jede Einzelaufnahme vorliegt und gewährleistet ist, dass während der Integrationszeit jeder Einzelaufnahme die Beleuchtung eingeschaltet ist.
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Höchste Messgeschwindigkeiten lassen sich erreichen, indem das erfindungsgemäße Verfahren mit den Verfahren des Bildverarbeitungsscannings oder so genannten „On-the-fly”-Technologien kombiniert wird, bei denen die Bildaufnahme während der Bewegung des Messobjektes erfolgt. Zur Reduzierung der Bewegungsunschärfe wird das fotosensitive Detektionsmittel dabei nur kurzzeitig belichtet, z. B. durch den Einsatz einer blitzartigen Beleuchtung oder von Shuttern. Die zeitlich begrenzte Belichtung erfolgt dabei synchron zur Aufnahme der aktuellen Werkstückposition bzgl. des fotosensitiven Detektionsmittels mit Hilfe von Positionserfassungsmitteln und der Messwertaufnahme des fotosensitiven Detektionsmittels. Diese Verfahren werden u. a. in der
EP-B-1 286 134 und der
WO-A-03/009070 beschrieben, deren Offenbarungen Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
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Bevorzugterweise enthält die Kamera mehrere Pixel und ist bevorzugterweise eine CCD- oder CMOS-Kamera.
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Unabhängig hiervon können als Messobjekte solche verwendet werden, die eine rotationssymmetrische und/oder zylindrische Gestalt aufweisen, insbesondere Stents sind.
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Insbesondere werden zur Messung rotationssymmetrischer und/oder zylindrischer Messobjekte Dreh- und/oder Schwenkachsen eingesetzt.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Es zeigen:
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1 ein Bild nach dem Stand der Technik, aufgenommen mit einer Standardintegrationszeit,
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2a)–c) Einzelbilder, aufgenommen mit Intergrationszeiten, die kürzer als die Standardintergrationszeiten sind,
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3a)–c) ein Ausrichten der Einzelbilder gemäß 2 auf ein gemeinsames Pixelraster,
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4a)–c) die ausgerichteten Einzelbilder gemäß 3, eingegrenzt auf den gleichen Bereich,
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5 ein durch Überlagerung der Grauwertamplituden der Bilder 4a)–c) erzeugtes Gesamtbild,
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6 zu messender Ausschnitt eines Bauteils,
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7 Lage der aufgenommenen Kamerabilder nach dem Stand der Technik,
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8 Einzelbilder aus 7 und Zusammensetzung dieser,
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9 Verteilung weiterer Kamerabilder im Bereich des zu bestimmenden Abschnitts,
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10 Einzelbilder aus 9,
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11 Lage der Einzelbilder aus 7 und 9,
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12 Einzelbilder aus 11 und Überlagerung zum Gesamtbild und
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13 eine Messanordnung mit photosensitiver Detektionseinrichtung in Prinzipdarstellung
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1 zeigt ein unscharfes Bild, welches entsteht, wenn während einer relativ langen Integrationszeit (wie z. B. einer Standardintegrationszeit von 15 oder 20 Millisekunden) das Messobjekt, hier eine Objektkante, bezüglich des optischen Sensors – wie Kamera – mehr oder weniger stark bewegt wird. Dies kann durch Vibrationen des Messgerätes, aber auch gewollt aufgrund einer optischen Messung in der Bewegung ausgelöst werden. Die Bestimmung der Lage der Kante, also des Übergangs zwischen dunklem und hellem Bereich im Bild, kann nur mit geringer Genauigkeit erfolgen.
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2a) bis c) zeigen drei Aufnahmen des nahezu gleichen Abschnitts des Objektes, insbesondere der gleichen Objektkante wie in , welche unmittelbar nacheinander aber mit deutlich kürzeren Integrationszeiten als 20 Millisekunden, wie beispielsweise 5 Millisekunden aufgenommen wurden. Die Aufnahmen zeigen nun eine scharfe Abbildung der Kante, jedoch aufgrund der kürzeren Integrationszeit dunklere Bilder. Aufgrund der verkleinerten Helligkeit ist eine Erkennung der Kante unter Umständen nicht möglich oder führt zu großen Messabweichungen.
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3 zeigt das erfindungsgemäße Verschieben der Einzelbilder a) bis c) auf ein gemeinsames Pixelraster. In diesem Fall wurde die Position des Bildes der 3b) als Referenz gewählt. 3a) zeigt also das nach rechts verschobene Bild der 2a) und 3c) das nach links verschobene Bild der 2c). Die Verschiebung wurde aufgrund der den einzelnen Bildern der 2a) bis 2c) zugeordneten, durch das Koordinatenmessgerät bestimmten Position durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann die Lageverschiebung zwischen den Bildern der 2a) bis 2c) auch mit Korrelationsverfahren bestimmt werden. Um im späteren Schritt die Grauwertamplituden der Pixel addieren zu können, erfolgt die Verschiebung mit Hilfe von Resampling-Verfahren auf ein exakt gleiches Pixelraster, in diesem Fall das Pixelraster des Bildes der 2b) bzw. 3b). Der dargestellte Bildbereich der Bilder der 3a) und c) wurde auf die Größe des Bildes gemäß 3b) beschränkt.
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4 zeigt die erfindungsgemäß verschobenen und zusätzlich auf den Bereich eingegrenzten Bilder, welcher in allen drei Teilbildern der 2a) bis c) bzw. 3a) bis c) enthalten ist.
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In 5 kann nun im letzten Schritt die Überlagerung der Grauwertamplituden der jeweiligen Pixel der 4a) bis 4c) erfolgen und es ergibt sich eine scharfe Abbildung des Objektes bzw. der Objektkante. An dieser kann nun eine Kantenerkennung oder alternativ eine Helligkeits- oder Kontrastauswertung bei Autofokusverfahren, mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen, da die mittlere Helligkeit des Bildes in 5 der Summenhelligkeit der drei Einzelbilder entspricht, in diesem Fall also äquivalent zu einem Bild ist, welches mit einer Integrationszeit von 15 Millisekunden aufgenommen wurde, jedoch eine Bildunschärfe nicht aufweist, die nach dem Stand der Technik bei einer Relativbewegung zwischen Objekt und Sensor bei Standardintegrationszeit auftritt.
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Analog zum in den 1 bis 5 beschriebenen Verfahren der Messung mit kürzeren Integrationszeiten und Überlagerung zur Verringerung des Rauschens, wird in den 6 bis 12 ein Verfahren näher erläutert, bei dem sich die zum Gesamtbild zusammenzusetzenden Einzelaufnahmen nur teilweise oder gar nicht überlagern.
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6 zeigt hierzu ein Bauteil, dass im Bereich des durch das helle Kästchen gekennzeichneten Abschnitts optisch erfasst werden soll.
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7 zeigt, wie dies nach dem Stand der Technik beispielsweise mit zwei einzelnen Aufnahmen, gekennzeichnet durch ein Rechteck mit gepunkteten Linien und einem Rechteck mit gestrichelten Linien für eine zweite Aufnahme. Diese beiden Einzelbilder sind in den 8a und b dargestellt. Beim Zusammenfügen zu einem Gesamtbild entsteht das in 8c dargestellte Bild. Da die aus 8a und b bereitgestellten Einzelaufnahmen bereits mit einer geringeren Integrationszeit aufgenommen wurden, ist das sich ergebende Bild gemäß 8c relativ dunkel.
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9 zeigt, gekennzeichnet durch drei weiße Rechtecke, an welchen Teilbereichen im Bild zusätzliche Bilder aufgenommen werden. Die aufgenommenen Einzelbilder sind in der 10a, b und c dargestellt.
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11 zeigt die in diesem Beispiel 5 insgesamt aufgenommenen Teilbilder, gekennzeichnet durch die drei Rechtecke und die beiden gepunkteten bzw. gestrichelten Rechtecke. Hierbei ist zu erkennen, dass sich die Einzelaufnahmen jeweils zu 50% überlagern. Die sich ergebenden Einzelaufnahmen sind in 12a bis 12e dargestellt. Die Überlappung zwischen den Bildern a und b, b und c, c und d, d und e beträgt jeweils etwa 50%. Werden die Grauwertamplituden der Überlagerungsbereiche addiert, ergibt sich für die Bereiche, in denen eine Überlagerung vorliegt, das in 12f dargestellte Gesamtbild. Die linke Hälfte in 12a und die rechte Hälfte des in 12e dargestellten Einzelbildes wurden zur Auswertung nicht herangezogen, da hier keine Überlagerung vorliegt. Alternativ hierzu kann eine Normierung bzw. Skalierung, in diesem Fall eine Verdopplung der Grauwertamplituden in diesen fehlenden Bereichen vorgenommen und auch diese zum Gesamtbild hinzugezogen werden.
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Dieses Gesamtbild ist in 12g dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Bereiche, die aus der linken Hälfte aus 12a und der rechten Hälfte aus 12e stammen, ein höheres Rauschniveau besitzen.
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Die gleiche Vorgehensweise ist auch möglich, wenn die Bauteiloberfläche gekrümmt ist. Hierzu werden die Einzelaufnahmen beispielsweise in verschiedenen Drehstellungen des Bauteils ermittelt. Werden die Bereiche im Bild entsprechend der vorliegenden Krümmung anschließend entzerrt, entsteht bei der Überlagerung der Einzelaufnahmen, ein durch Resampling äquidistantes Punkteraster, vorzugsweise für eine abgewickelte Darstellung der Mantelfläche eines beispielsweise zylindrischen Bauteils.
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Das in den 6 bis 12 dargestellte Verfahren ist ebenso bei Überlappungsgraden größer aber auch kleiner als 50% möglich. Hierzu werden pro Objektbereich entweder mehrere Bilder überlagert, deren Grauwertamplituden addiert werden oder es erfolgt keine Überlagerung und eine entsprechende Skalierung der Grauwerte.
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13 zeigt ein optisches Abbildungssystem 910, welches mit einer matrixförmigen photosensitiven Detektionseinrichtung 911 verbunden ist und zur Messung eines an einer Drehachse 912 angebrachten rotationsförmigen Messobjektes 913 eingesetzt wird. Auf Grund der Oberflächenkrümmung des Messobjektes 913 werden auf der Detektionseinrichtung 911 jeweils nur ein Teil der Merkmale des Messobjektes 913 scharf dargestellt. Abhängig von der Schärfentiefe des optischen Abbildungssystems 910 werden beispielsweise nur die Merkmale 914 in einer definierten Drehstellung scharf abgebildet. Die Merkmale 915 werden daher beispielsweise in einem Drehschritt früher und die Merkmale 916 in einem Drehschritt später scharf abgebildet. Da im Ausführungsbeispiel die Merkmale 914 scharf abgebildet und damit diese ordnungsgemäß ausgewertet werden können, ist es ausreichend, den Bereich der Detektionseinrichtung 911 zwischen den Zeilen 917 und 918 auszuwerten und an eine Auswerteeinrichtung zu übermitteln. Hierdurch sind wiederum deutlich höhere Wiederholraten der Detektionseinrichtung erreichbar.
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In diesem Beispiel kann davon ausgegangen werden, dass der scharf abgebildete Teil des Messobjektes 913, einen entsprechenden Rundlauf des Messobjektes vorausgesetzt, im Bildbereich der fotosensitiven Detektionseinrichtung ortfest verbleibt. Daher ist es sinnvoll, während der Programmierung des Messablaufs eine feste Position des Messfensters zu definieren.
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Auch bei diesen Messverfahren des rotationsförmigen Messobjekts 913 werden entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre Einzelbilder derart aufgenommen, dass Einzelbilder sich zumindest teilweise überlappen, um bei einer Auswertung den überlappenden Bereich zu nutzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1286134 B [0055]
- WO 03/009070 A [0055]
