DE19622569A1

DE19622569A1 - Verfahren zur Charakterisierung linienhafter Strukturen auf Oberflächen

Info

Publication number: DE19622569A1
Application number: DE1996122569
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr Voss; Ernst-Ulrich Reisner
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1997-12-11

Description

Zur Charakterisierung der dreidimensionalen Struktur von Oberflächen sind bereits eine Reihe von Verfahren bekannt. Sie bestehen in der Regel darin, daß die Ober flächenstruktur direkt oder nach Abformung optisch oder mechanisch entweder vollständig oder nur bezüglich einzelner zur Oberfläche vertikaler Querschnitts flächen getastet wird, wobei als die Oberfläche charakterisierende Parameter die Rauhtiefe bzw. Oberflächenrauhigkeit bestimmt werden.

Zur Charakterisierung von linienhaften Oberflächenstrukturen werden ferner der sogenannte R_z-Wert nach DIN, der Entfaltungskoeffizient, der die Gesamtfläche einer strukturierten Oberfläche angibt sowie die Anzahl der Knotenpunkte, an denen sich mehrere Linienstrukturen treffen, pro Fläche angegeben.

Alle diese Parameter stellen eine relativ grobe Charakterisierung der Oberflächen struktur dar; insbesondere lassen sie keinen Rückschluß auf die Ausbildung der Flanken von Linienstrukturen zu.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, gegebenenfalls zusätzlich zu den an sich bekannten Parametern Mittelwerte von auf einzelne linienhafte Struktur elemente bezogene Parameter die mittlere und maximale Erhebung bzw. Vertie fung eines linienhaften Strukturelementes aus der Umgebung anzugeben, sowie gegebenenfalls mittlere Schwankungen dieser Parameter.

Oberflächen mit linienhafter Struktur werden insbesondere bei natürlichen Werkstoffen wie Holz oder Leder sowie diesen nachempfundenen künstlichen Materialien vorgefunden. Ferner treten linienhafte Strukturen in Form von Kratz- oder Schleifspuren auf. Für die Kosmetikindustrie von Interesse ist der Einfluß von Hautpflegemitteln auf die Faltenstruktur der Haut.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Charakterisierung linienhafter dreidimensionaler Strukturen auf Oberflächen durch Abformung der Oberfläche mittels flüssigem, eingefärbtem Silikonmaterial, Abbildung einer Durchlichtaufnahme der Abform in einer zweidimensionalen digitalen Computer datei, in der jedem digitalen Bildpunkt (Pixel) ein Helligkeitswert zugeordnet wird und Umrechnung des Helligkeitswertes der Pixel in Höhenwerte, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) zu der digitalen Abbildung elektronisch eine zweite Abbildung erstellt wird, die nur die relativen Höhenextrema, insbesondere Helligkeitsminima darstellt,
b) in der zweiten Abbildung diejenigen Höhenextrema charakterisierenden Pixel eliminiert werden, die mehr als zwei benachbarte, ebenfalls Höhenextrema darstellende Pixel (Knotenpunkte der Linienstruktur) aufweisen,
c) um jeden der verbleibenden, Höhenextrema darstellenden Pixel einen Kreis mit vorbestimmtem Radius definiert wird,
d) die Einschließende aller zu benachbarten Pixeln definierten Kreise ermittelt wird,
e) aus der ersten digitalen Abbildung, die innerhalb der Einschließenden liegenden Höhenwerte ausgeschnitten werden, und
f) der durch die einschließende definierten Ausschnitt der ersten Abbildung zur weiteren Charakterisierung der Linienstruktur herangezogen wird.

Bezogen auf eine Abformung der menschlichen Haut werden durch die zweite Abbildung die Talsohlen der Faltenstruktur der Haut dargestellt. Die zweite digitale Abbildung kann durch zeilenweises Abtasten der ersten digitalen Abbildung erfolgen, wobei jeweils benachbarte Helligkeitswerte verglichen werden und minimale Helligkeitswerte entsprechend maximalen Höhen der Abformung in die zweite Abbildung übertragen werden (Stufe a)).

Anschließend werden aus der in Schritt a) erhaltenen Abbildung der Talsohlen der Faltenstruktur die Knotenpunkte, d. h. Verzweigungen von Falten-Talsohlen und Kreuzungspunkte eliminiert, so daß die zweite Abbildung lediglich knoten punktfreie Linienabschnitte aufweist (Schritt b)). Diese Linienabschnitte der zweiten Abbildung repräsentieren jeweils knotenfreie Faltenabschnitte der ersten digitalen Abbildung.

In den Schritten c) und d) werden zu jedem Linienabschnitt der zweiten Abbildung Parallelen in vorbestimmtem Abstand definiert. Die Fläche zwischen den Parallelen repräsentiert die Umgebung der Talsohle eines Faltenabschnitts.

Mit Hilfe der so definierten Fläche wird nun der dazugehörende Faltenabschnitt aus der ersten digitalen Abbildung elektronisch herausgeschnitten.

Auf diese Weise steht ein einzelner Faltenabschnitt zur weiteren Charakterisierung seiner Struktur elektronisch gespeichert zur Verfügung.

Die weitere Auswertung kann darin bestehen, daß bestimmte Charakteristika wie maximale Höhenunterschiede, mittlere Höhenunterschiede zur Faltenumgebung, usw. innerhalb jedes der so ausgeschnittenen Faltensegmentes ermittelt werden und danach geeignete Mittelwerte bzw. Abweichungen von den Mittelwerten aller so ausgewerteten Faltensegmente zur Charakterisierung der Oberflächenstruktur herangezogen werden.

Eine besonders geeignete Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung der Abformung der Oberfläche und der Abbildung einer Durchlicht aufnahme der Abformung in einer zweidimensionalen digitalen Computerdatei ist in der WO 94/20019 vom 15. September 1994 offenbart. Als Formmasse wird vor zugsweise eine niedrigviskose additionsvernetzende Silikonmasse auf Basis Vinyl funktioneller Polydimethylsiloxane und SiH-funktioneller Silikonvernetzer, wie sie unter den Bezeichnungen Silopren U und Baysilone Öl SF/H von der Bayer AG, Leverkusen erhältlich sind, eingesetzt, wobei der Silikonmasse ein möglichst fein teiliger Farbstoff oder Pigmente zugesetzt wird. Vorzugsweise wird als Pigment ein Kupferphthalocyanin-Komplex zugesetzt, der unter der Bezeichnung Sicomet-Blau P 74160 von der BASF AG, Ludwigshafen, erhältlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 naher erläutert.

Fig. 1 erläutert die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt schematisch die Abbildung der Durchlichtaufnahme des Abdrucks in eine digitale Computerdatei.

Fig. 3 zeigt eine Eichkurve zur Umrechnung von Helligkeitswerten in Höhenwerte des Abdrucks.

Fig. 4 erläutert die digitale Abbildung eines Faltenabschnitts.

Fig. 1 zeigt in der Mitte die Darstellung der elektronischen Abbildung der Durch lichtaufnahme eines Faltenabdrucks der menschlichen Haut, z. B. auf dem Bildschirm des Computers. Teilbild A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung. (Da Grautöne in der Patentzeichnung nicht darstellbar sind, sind diese in Form eines Punktrasters wiedergegeben). Teilbild B zeigt für den vergrößerten Ausschnitt A die relativen Höhenextrema der zweiten elektronischen Abbildung, d. h. die Talsohlen der Faltenstruktur. In Teilbild C sind die Knotenpunkte durch schwarze Kreise hervorgehoben. Teilbild D wird nach Entfernung der Knotenpunkte erhalten. In Teilbild E wurden jedem Pixel eines Faltengrundabschnitts Kreise mit vorbestimmtem Radius zugeordnet. Die Vorbestimmung des Radius der Kreise kann aufgrund visueller Betrachtung des Teilbildes A derart erfolgen, daß durch den Radius mindestens die Breite jeder Falte abgedeckt wird. Der Radius kann auch elektronisch so bestimmt werden, daß auf einer Linie senkrecht zum Faltengrundabschnitt solange fortgeschritten wird, daß sich der Höhenwert benachbarter Pixel um nicht mehr als z. B. 1% verändert. Teilbild F zeigt die Einschließende aller Kreise aus Teilbild E. Teilbild G zeigt den durch die Einschließende gemäß Teilbild F definierten Ausschnitt aus Teilbild A. Dieser Ausschnitt wird der weiteren Analyse des einzelnen Faltenabschnitts zugrundegelegt.

Fig. 2 zeigt den Hautabdruck 1, der auf einer diffusen Lichtquelle 2 aufliegt und mittels einer elektronischen Kamera 3 in ein digitales Bild abgebildet wird, das in die Festplatte eines Computers 4 eingespeist wird.

Fig. 3 zeigt den an einem Eichkeil aus der Abdruckmasse ermittelten Zusammenhang zwischen Dicke der Abdruckmasse in mm und durch die elektronische Kamera registrierten Helligkeitswert.

Fig. 4 zeigt die Umgebung eines Faltenabschnitts gemäß Teilbild G aus Fig. 1, wobei je vier Rasterpunkte jeweils einen Pixel einschließen. Jedem der Pixel ist ein mit Hilfe der Eichkurve gemäß Fig. 3 in Höhenwerte umgerechneter Helligkeitswert zugeordnet. Jeder so dargestellte isolierte Faltenabschnitt besteht aus den Faltengrundpixeln G, den Faltenrandpixeln R, die die Helligkeitswerte der Einschließenden (Teilbild F aus Fig. 1) enthalten sowie den dazwischenliegenden Faltenstrukturpixeln S. Das geschwärzte Pixel G_m bezeichnet den minimalen Helligkeitswert aller Faltengrundpixel G. Das ebenfalls schwarz gekennzeichnete Faltenrandpixel R_m bezeichnet den maximalen Helligkeitswert aller Randpixel R. Zur Charakterisierung der Struktur des Faltenabschnitts können nun folgende charakteristische Werte herangezogen werden (jeweils bezogen auf die Abformung):
maximale Faltentiefe = maximale Höhe des Faltengrundes G_m minus minimale Höhe des Faltenrandes R_m
mittlere Faltentiefe = Mittelwert der Höhen aller Faltengrundpixel minus Höhenwert von R_m
Faltenlänge = Abstand der beiden Endpixel des Faltengrundes.
normierte mittlere Tiefe: Produkt aus der Faltenlänge und der mittleren Faltentiefe.

Faltenrichtung = der aus den Endpunkten des Faltengrundes ermittelte Winkel, den die Falte mit einer vorgegebenen Richtung bildet;
Trägt man die Zahl der Falten einer Faltenrichtung über dem zugeordneten Winkel auf, so sind bei der Struktur der menschlichen Haut eine bis zwei bevorzugte häufige auftretende Richtungen, die Hauptfaltenrichtungen feststellbar. Demgemäß lassen sich die Einzelfalten weiter charakterisieren als
R 1-Falten: = Falten, die einer Hauptfaltenrichtung zugeordnet werden können, und
R 2-Falten: = Falten, die keiner Hauptfaltenrichtung zugeordnet werden können.

Beispiel

Beispielhaft wird nachfolgend der Effekt einer Tagespflege-Creme auf die Falten struktur der Haut mittels der erfindungsgemaßen Faltenstrukturanalyse dargestellt:
Der Versuch wurde an 10 weiblichen Probanden im Alter von oberhalb 50 Jahren durchgeführt. Der Hautabdruck wurde jeweils an der rechten und linken Unterarm- Innenseite nach einer Ruhezeit von 30 Minuten (Einklimatisierung) der Probandin im Abstand von 15 cm vom Handgelenk abgenommen. Während der Versuchszeit hat jede der Probandinnen nur eine Unterarm-Innenseite morgens und abends mit einer Feuchtigkeitscreme behandelt. Die Hautabdrücke wurden vor Beginn der ersten Anwendung, zwei Wochen nach Anwendung des Testproduktes und 8 Wochen nach Anwendung des Testproduktes abgenommen. Die Meßfeldgröße des Abdruckes ist ein Quadrat mit 8 mm Kantenlänge.

Der nicht behandelte Unterarm dient jeweils als Kontrollfeld, so daß äußere Einflüsse wie Klimaveränderungen usw. jeweils bereinigt werden können.

Die nachfolgende Tabelle gibt für die unbehandelte und behandelte Probandin den Mittelwert aller in der ausgewerteten Abdruckfläche enthaltenen Faltenabschnitte, gemittelt über die 10 Probandinnen wieder. Bei der Änderung nach Behandlung wurde jeweils die Veränderung des nicht behandelten Kontrollabdrucks vorab berücksichtigt.

Tabelle

Claims

1. Verfahren zur Charakterisierung linienhafter dreidimensionaler Strukturen auf Oberflächen durch Abformung der Oberfläche mittels flüssigem, eingefärbtem Silikonmaterial, Abbildung einer Durchlichtaufnahme der Abformung in einer zweidimensionalen digitalen Computerdatei, in der jedem digitalen Bildpunkt (Pixel) ein Helligkeitswert zugeordnet wird, Umrechnung des Helligkeitswertes der Pixel in Höhenwerte, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zu der digitalen Abbildung elektronisch eine zweite Abbildung erstellt wird, die nur die relativen Höhenextrema, insbesondere Helligkeitsminima, die z. B. die Talsohlen einer Faltenstruktur wiedergeben, darstellt,
b) in der zweiten Abbildung diejenigen Höhenextrema charakteri sierenden Pixel eliminiert werden, die mehr als zwei benachbarte, ebenfalls Höhenextrema darstellende Pixel (Knotenpunkte mehrerer Talsohlen) aufweisen,
c) um jeden der verbleibenden Linienabschnitte darstellenden Pixel einen Kreis mit vorbestimmtem Radius definiert wird,
d) die Einschließende aller zu benachbarten Pixeln definierten Kreise ermittelt wird,
e) aus der ersten digitalen Abbildung, die innerhalb der Einschließen den liegenden Höhenwerte ausgeschnitten werden, und
f) der durch die Einschließenden definierten Ausschnitt der ersten Abbildung zur weiteren Charakterisierung der Linienstruktur heran gezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Höhenunterschied der Pixel innerhalb eines Ausschnitts ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz des mittleren Höhenwertes der Höhenextrema eines Ausschnitts und des geringsten Höhenwertes der Einschließenden ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Koordinaten der Endpixel der Höhenextremalinie deren Richtung bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Koordinaten der Endpixel der Höhenextremalinie deren Länge ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 und 5, wobei das Produkt aus Faltenab schnittslänge und mittlerer Faltentiefe gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Charakterisierung der linienhaften Struktur Mittelwerte aller Ausschnittswerte gemäß Ansprüchen 2, 3, 5 und/oder 6 gebildet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beurteilende Oberfläche die menschliche Haut ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilung in zeitlichem Abstand wiederholt wird, wobei die Haut zwischen den Beurteilungen behandelt wird.