DE102011079067A1 - Method for equalizing image of high-speed camera of endoscopic inspection device for e.g. inspecting hole-like openings in intestine, involves determining equalization of image in reference to scan-axis of testing body - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entzerrung eines Abbildes eines Bilderfassungssystems einer endoskopischen Inspektionsvorrichtung zur Rundumsicht, wobei mit dem Bilderfassungssystem ein Gesamtbild einer in einem Prüfkörper innen liegenden Prüfoberfläche erfasst und in einem Bildnachverarbeitungsvorgang ein Gesamtabbild der Prüffläche zeilenweise aus einzelnen Bildpunkten eines Bildstapels zusammengesetzt wird, die sich in einem ringförmigen Fokusbereich des Gesamtbildes befinden.The invention relates to a method for equalizing an image of an image acquisition system of an endoscopic inspection device for all-round visibility, wherein the image acquisition system captures an overall image of a test surface inside a test specimen and in an image postprocessing process an overall image of the test surface is assembled line by line from individual image points of an image stack are located in an annular focus area of the overall picture.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention further relates to a corresponding device for carrying out the method.
Stand der TechnikState of the art
Endoskopisch basierte Inspektionssysteme, mit denen sich Hohlräume abbilden lassen, sind u. a. aus der Medizintechnik zur Exploration von Darm, Magen, Blutgefäßen etc. und aus der Werkstück-Qualitätskontrolle bekannt. Endoscopically based inspection systems, with which cavities can be imaged, are u. a. from medical technology for the exploration of intestine, stomach, blood vessels, etc. and from the workpiece quality control known.
So wird beispielsweise in der Patentschrift
Die Offenlegungsschrift
Bei den am Markt existierenden Systemen, die, wie die o. g. Beispiele zeigen, nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren, um ein Bauteil mit 360° Innenansicht zu scannen, wird bei den betrachteten Methoden ein Rundumsicht-Endoskop in das Bauteil eingeführt. Dabei bildet das Endoskop die Innenwand des Bauteils auf einem Sensor ab. In existing on the market systems that, like the o. G. Examples show that different principles work to scan a component with a 360 ° interior view. In the methods under consideration, an all-round endoscope is inserted into the component. The endoscope images the inner wall of the component on a sensor.
Es entsteht dabei auf einer 2D-Sensorfläche eine Abbildung, die innerhalb eines ringförmigen Kreises die 90°-Normale des Bauteils abbildet. Eine schmale Linie in der Detektionsebene ist scharf abgebildet. Um ein komplettes Abbild des Bauteils zu erzielen, wird das Endoskop in axialer Richtung weiter bewegt. Dabei ist nun an derselben Stelle des Bild-Sensors die nächste Aufnahmeebene des Bauteils im Fokus. Ein Zusammenfügen der Bildzeilen ermöglicht nun eine Erzeugung eines entrollten Bildes der inneren Oberfläche des Bauteils, welches inspiziert werden kann.The result is an image on a 2D sensor surface, which maps the 90 ° normal of the component within an annular circle. A narrow line in the detection plane is in focus. To achieve a complete image of the component, the endoscope is moved further in the axial direction. In this case, the next recording plane of the component is now in focus at the same location of the image sensor. Merging the image lines now allows creation of an unrolled image of the interior surface of the component which can be inspected.
Grundsätzlich lassen sich die technischen Methoden für derartige Rundumsicht-Endoskope in zwei Gruppen einteilen. Überwiegend wird ein spezieller Ring-CCD-Sensor verwendet, um genau diese Ringfläche maximal schnell auslesen zu können. Alternativ dazu ist auch die Verwendung einer High-Speed-Kamera gebräuchlich, wobei die komplette Sensor-Fläche belichtet wird. In der Nachverarbeitung ist dabei ein Auslesen der Pixel im fokussierten ringförmigen Bereich möglich. Diese Pixel werden entrollt und bilden eine Zeile in der Aufnahme der Innenfläche das Prüflings. Durch die schnelle Bildaufnahme der High-Speed-Kamera ist ein vergleichbar schnelles Abtasten der Oberfläche möglich. Auf diese Methode konzentriert sich die folgende Erfindung.In principle, the technical methods for such all-round endoscopes can be divided into two groups. For the most part, a special ring CCD sensor is used in order to be able to read out exactly this ring surface at maximum speed. Alternatively, the use of a high-speed camera is common, with the entire sensor surface is exposed. In postprocessing, it is possible to read out the pixels in the focused annular region. These pixels are unrolled and form a line in the receptacle of the inner surface of the specimen. Due to the fast image recording of the high-speed camera, a comparable fast scanning of the surface is possible. This method focuses on the following invention.
Nachteilig ist allerdings dabei, dass die Ausrichtung der Scan-Achse und der Bauteilachse extrem genau ausgerichtet sein muss, um Artefakte im entrollten Bild zu verhindern. A disadvantage, however, is that the orientation of the scan axis and the component axis must be extremely precisely aligned in order to prevent artifacts in the unrolled image.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem insbesondere Fehler bei der Ausrichtung der beiden Achsen zueinander kompensiert werden können.It is therefore an object of the invention to provide a method and a device with which in particular errors in the alignment of the two axes can be compensated for each other.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst.The object of the method is solved by the features of
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung sieht zur Durchführung des Verfahrens ein Bilderfassungssystem vor, in der softwaremäßig eine Bildentzerrung implementiert ist, mit der während oder am Ende eines Scan-Vorganges die aktuelle Position im Prüfkörper entlang einer Scan-Achse bestimmbar sowie weiter entfernte markante Bauteilgeometrien auswertbar sind, und daraus die Lage der Scan-Achse zur Bauteil-Achse bestimmbar sowie Entzerrungsparameter zur Korrektur von Lage- und Winkelfehler ableitbar sind.The object of the invention relating to the device provides for the implementation of the method an image acquisition system in which an image equalization is implemented by software with which during or at the end of a scan process, the current Position in the test specimen along a scan axis determinable and more distant distinctive component geometries are evaluated, and from the position of the scan axis to the component axis can be determined and equalization parameters for correcting position and angle errors can be derived.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Entzerrung des Abbildes aus dem Bezug einer Scan-Achse zur Achse des Prüfkörpers bestimmt wird, wobei in einer bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen sein kann, dass die Entzerrung des Abbildes während der Aufnahme beim Eintauchen des Bilderfassungssystems entlang einer Scan-Achse in den Prüfkörper oder nach Aufzeichnung des Bildstapels erfolgt, wobei einerseits die aktuelle Position im Prüfkörper bestimmt und über die Abbildung weiter entfernte markante Bauteilgeometrien die Lage der Scan-Achse zur Bauteil-Achse bestimmt wird und daraus Entzerrungsparameter abgeleitet werden. The method according to the invention provides that the equalization of the image is determined from the reference of a scan axis to the axis of the test body, wherein in a preferred process variant it may be provided that the equalization of the image during the recording during immersion of the image acquisition system along a scan Axis in the specimen or after recording the image stack is carried out, on the one hand determines the current position in the specimen and on the image further removed distinctive component geometries, the position of the scan axis to the component axis is determined and from this equalization parameters are derived.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung können Artefakte infolge von Lage- und/ oder Winkelfehler bei der Rundumsichtinspektion minimiert und die Bildqualität der Abbildung verbessert werden, da der effektive Informationsgehalt des Ergebnisbildes höher ist. Die Entzerrung des Bildes erfolgt On-the-Fly, d. h. noch während der Aufnahme, wobei die Entzerrung softwarebasiert vorzugsweise in einer High-Speed-Kamera als Bilderfassungssystem implementiert ist. With the method and the corresponding device according to the invention artifacts due to position and / or angle errors in the all-round inspection can be minimized and the image quality of the image can be improved, since the effective information content of the resulting image is higher. The image is rectified on-the-fly, d. H. still during the recording, wherein the equalization software-based is preferably implemented in a high-speed camera as an image capture system.
In einer anderen Verfahrensvariante kann die Achse des Prüfkörpers aus einem CAD-Modell des Prüfkörpers abgeleitet werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Bauteil-Achse bereits vorbestimmt ist und nicht neu berechnet werden muss. In another variant of the method, the axis of the test specimen can be derived from a CAD model of the test specimen. This offers the advantage that the component axis is already predetermined and does not have to be recalculated.
Bei konventionellen Lösungen ist die Entzerrung im Ergebnisbild erforderlich. Dabei ist das noch nicht entzerrte Bild bereits durch Interpolation der Pixel des 2D-CCD-Sensors entstanden. Die erforderliche nachfolgende Entzerrung interpoliert nochmals die Pixel, was mit einem weiteren Verlust an Information, d. h. Bildschärfe verbunden ist. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren verbessert. In conventional solutions, the equalization in the result image is required. The not yet rectified image has already been created by interpolating the pixels of the 2D CCD sensor. The required subsequent equalization again interpolates the pixels, which results in a further loss of information, i. H. Sharpness is connected. This is improved by the method according to the invention.
Werden anhand der Entzerrungsparameter Winkelfehler und/ oder Lagefehler während des Bildnachverarbeitungsvorgangs korrigiert, ergibt sich ein weiterer Vorteil gegen- über dem Stand der Technik, da eine automatische Korrektur der Achslage des Aufnahmesystems zum Bauteil durchgeführt werden kann. Dadurch kann die optimale Fokuslage des Sensorsystems angepasst werden, wodurch ein Auslesen der Bildinformation immer im korrekten Fokusbereich erfolgen kann.Correcting angular errors and / or positional errors during the image post-processing operation on the basis of the equalization parameters results in a further advantage over the prior art since an automatic correction of the axial position of the recording system relative to the component can be carried out. As a result, the optimum focus position of the sensor system can be adapted, whereby readout of the image information can always take place in the correct focus range.
In einer weiteren Verfahrensvariante werden die Entzerrungsparameter für jeden Bildschritt oder in bestimmten Abständen entlang der Scan-Achse neu bestimmt. Durch dieses Nachführen kann die Abbildungsqualität weiter verbessert werden. Zudem kann der Informationsgehalt des Ergebnisbildes weiter gesteigert werden.In a further variant of the method, the equalization parameters are redetermined for each image step or at specific intervals along the scan axis. By this tracking the image quality can be further improved. In addition, the information content of the result can be further increased.
In vielen Fällen kann es von Vorteil sein, wenn zu Beginn des Scan-Vorganges als markante Bauteilgeometrien Bauteilkanten des Prüfkörpers erfasst und ausgewertet werden, die entlang der Scan-Achse am Ende des Scan-Vorgangs angeordnet sind. So können beispielsweise die Radien der Böden von Sacklöchern oder die Bohrradien bei Bohrungen mit hoher Präzision ermittelt werden, da diese sich als scharfe Kante abzeichnen. Wird der Scan von der gegenüberliegenden Seite durchgeführt, sind Bildpunkte in der oberen und unteren Ebene der Abbildung bestimmbar. Dies ermöglicht es, vor dem Scan die Koeffizienten für die Entzerrungsparameter zur Lage- und/ oder Winkelkorrektur zu berechnen und beim Scan direkt anzuwenden. In many cases it may be advantageous if, at the beginning of the scanning process, component edges of the test specimen, which are arranged along the scan axis at the end of the scanning process, are detected and evaluated as distinctive component geometries. For example, the radii of the bottoms of blind holes or the Bohrradien can be determined in holes with high precision, as they emerge as a sharp edge. When the scan is performed from the opposite side, pixels in the upper and lower levels of the image are determinable. This makes it possible to calculate the coefficients for the correction parameters for the position and / or angle correction before the scan and to apply them directly during the scan.
In einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass während der Bildentzerrung eine Shading-Korrektur implementiert wird, was ohne Mehraufwand realisiert werden kann. Die Shading-Korrektur korrigiert ungleichmäßig ausgeleuchtete Bilder und ermöglicht ein besseres so genanntes Stitching, d. h. Zusammenheften der Einzelzeilen aneinander, da Zeilen, die näher zur Lichtquelle liegen, heller und weiter entfernte Zeilen entsprechend dunkler abgebildet werden. In einem Scan, der aus Gründen der höheren Geschwindigkeit mehr als eine Pixel-Reihe ausliest, liegen im Ergebnisbild die zu hellen Reihen direkt neben den zu dunklen Reihen, wodurch ein Rastereffekt entstehen würde, der die Detektion von Fehlern in der zu untersuchenden Oberfläche erschweren würde. In a further advantageous variant of the method it is provided that a shading correction is implemented during the image equalization, which can be realized without additional effort. The Shading Correction corrects for unevenly lit images and allows for better stitching, d. H. Tying together the single lines, as lines that are closer to the light source are displayed darker and brighter lines farther away. In a scan that reads more than one row of pixels for speed reasons, the result image will have the rows too light next to the rows that are too dark, creating a raster effect that would make it difficult to detect defects in the surface being examined ,
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zur Verbesserung der Bildqualität aus den mit dem Bilderfassungssystem erfassten Bildpunkten ein Pixelbild mit virtuellen Pixeln berechnet wird, wobei die virtuellen Pixel mittels einer Gewichtungsmatrix aus den Bildpunkten berechnet werden, und anhand dieses Pixelbildes mit den virtuellen Pixeln die Entzerrungsparameter bestimmt werden. Durch diese Interpolation kann insbesondere eine höhere Abbildungsschärfe realisiert werden. In addition, it may be provided that a pixel image is calculated with virtual pixels to improve the image quality from the captured with the image acquisition system pixels, the virtual pixels are calculated by means of a weighting matrix of the pixels, and on the basis of this pixel image with the virtual pixels the Entzerrungsparameter be determined , In particular, a higher image sharpness can be realized by this interpolation.
Das zuvor beschriebene Verfahren mit seinen Varianten kann besonders vorteilhaft innerhalb der Endoskopie in der Medizintechnik, z.B. zur Untersuchung von Körperhöhlen, zur Inspektion von lochartigen Ausnehmungen oder Kanälen im Bereich Maschinenbau oder Fahrzeugtechnik, bei denen es auf eine hohe Präzision und eine fehlerfreie Ausführung ankommt, oder zur 360°-Bilderfassung in Räumen angewendet werden.The method described above with its variants can be particularly advantageously used within endoscopy in medical technology, e.g. for examining body cavities, for inspecting hole-like recesses or ducts in the field of mechanical engineering or vehicle engineering, where high precision and fault-free execution are required, or for 360 ° image acquisition in rooms.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in FIGS. Show it:
Als Mangel an den bisherigen Systemen stellte sich heraus, dass die Ausrichtung der Scan-Achse
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Korrektur insbesondere dieser Fehler vor, eine Entzerrung des Bildes On-the-Fly, also noch während der Aufnahme durchzuführen. Dies geschieht in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mittels einer speziellen Software innerhalb des Bilderfassungssystems, d. h. innerhalb der High-Speed-Kamera. Dabei ist vorgesehen, dass die Entzerrung des Abbildes während der Aufnahme beim Eintauchen des Bilderfassungssystems entlang der Scan-Achse
Zudem kann eine Shading-Korrektur bei der Entzerrung implementiert sein, bei der die Objektaufnahme mit einem Referenzbild zueinander pixelweise zu einem Verhältnisbild ins Verhältnis gesetzt wird. Dabei wird die pixelweise Verhältnisbildung anhand einer experimentell oder rechnerisch ermittelten Tabelle bestimmt, die einer Lichtempfindlichkeitskennlinie der Bildsensoren entspricht. Das Verhältnisbild verstärkt den Kontrast und ist wesentlich unabhängiger von Oberflächeneigenschaften wie Betrachtungswinkel, Farbe, Helligkeit, Oberflächenrauhigkeit und -neigung oder Textur, wodurch eine eindeutige Erkennung von Oberflächenfehlern ermöglicht wird. In addition, a shading correction can be implemented in the equalization, in which the object image with a reference image is set in relation to each other pixel by pixel to a ratio image. The pixel-by-pixel ratio formation is determined on the basis of an experimentally or computationally determined table that corresponds to a photosensitivity characteristic of the image sensors. The ratio image enhances contrast and is much more independent of surface properties such as viewing angle, color, brightness, surface roughness and slope or texture, allowing for unambiguous detection of surface defects.
Zur Verbesserung der Bildqualität aus den mit dem Bilderfassungssystem erfassten Bildpunkten kann, wie dies eine Schemadarstellung
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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