DE2356535C3

DE2356535C3 - Verfahren zur Bestimmung einer Flächenungleichmäßigkeit

Info

Publication number: DE2356535C3
Application number: DE19732356535
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing.; Guse Rolf Dr.-Ing.; 7410 Reutlingen Ehrlen
Original assignee: Institut für Textiltechnik an der Universität Stuttgart, 7410 Reutlingen
Filing date: 1973-11-13
Publication date: 1977-10-20

Description

3°

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Ungleichmäßigkeit der Struktur von flächenhaften Gebilden oder Oberflächen von Körpern, insbesondere der Ungleichmäßigkeit der Struktur von Textilien oder Papieren, bei dem ein Bild der Fläche auf einer lichtempfindlichen Schicht sowie ein der Helligkeitsverteilung des Bildes proportionales elektrisches Signal durch zeilenweise elektronische Abtastung des Bildes erzeugt wird.

Es gibt verschiedene visuell leicht erfaßbare Eigenschäften von flächenhaften Gebilden oder Oberflächen von Körpern, die bis heute einer objektiven quantitativen Messung bzw. Auswertung verschlossen sind. Diese Eigenschaften werden dem Begriff »Flächenungleichmäßigkeit« zugeordnet, der nachfolgend allgemein verwendet wird. Dazu gehören zürn Beispiel die Wolkigkeit eines Papiers, eines Faserflors, eines Faservlieses, einer Folie, jeweils im Durchlicht betrachtet. Dazu gehören auch die Unebenheiten einer Oberfläche, z. B. einer Papier- oder Stoffbahn nach einer Knitterung bzw. einer Kreppung, die Rauheit eines Garnes und die Veränderung einer Oberfläche nach einer entsprechenden Oberflächenbehandlung, z. B. eine Stoffbahn nach einer Pilling hervorrufenden Behandlung, eine beliebige Bahn oder ein Werkstück nach einer Scheuerung im Sinn^ einer Oberflächenabtragung. Dazu gehören ebenfalls die Unregelmäßigkeiten in der Rückstrahlungs- bzw. in der Eigenstrahlungsverteilung im sichtbaren und im unsichtbaren Wellenlängenbereich, also z. B. die Schipprigkeit, die Streifigkeit oder überhaupt das unruhige Bild einer Oberfläche, das unregelmäßige Bild eines auf kontrastierenden Untergrund gewickelten Garnes oder anderer fadenförmiger Gebilde oder die ungleichmäßige Temperaturverteilung einer strahlenden Fläche. Ferner gehören zu diesem Komplex auch Teilchengrößenverteilungen bei konstanter Teilchenzahl im Betrachtungsfeld sowie die Verteilung von Teilchenzahlen je Betrachtungsfeld bei konstanter Teilchengröße. Zwar sind diese beiden Verteilungen schon heute durch optisch-elektronische Einrichtungen (siehe DT-OS 21 28 690; Leitz-Mitteilungen für Wissenschaft unri Technik, Sonderheft 1970) quantitativ erfaßbar, wenn die Teilchen genügend Kontrast zum Untergrund haben. Aber nur in diesem Fall ist die angewandte digitale Auswertung sicher. Dagegen erfolgt die Auswertung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren analog, so daß keine diskreten Teilchen und kein starker Kontrast vorliegen müssen, um eine sichere Auswertung zu gewährleisten.

Die bisher fehlende Möglichkeit, die Ungleichmäßigkeiten objektiv zu erfassen und durch eine oder mehrere Meßzahlen zu charakterisieren und zu vergleichen, führt ständig zu Mißverständnissen und Schwierigkeiten zwischen dem Hersteller eines entsprechenden Produktes und dem Abnehmer. Diese Schwierigkeiten treten trotz der Festlegung von Vergleichsstandards auf, was nicht nur auf den unterschiedlichen Erfahrungsgrad im Umgang mit Standards, sondern auch auf psychologische Barrieren zurückzuführen ist.

Es ist zwar immer wieder versucht worden, die subjektive Beurteilung durch ein objektives Meßverfahren zu ersetzen. Weil derartige Verfahren aber entweder zu arbeitsaufwendig oder zu kostenaufwendig sind, hat sich oisher kein Verfahren durchgesetzt. Als Beispiele für solche aufwendige Verfahren wären zu nennen: das Schneiden und Wiegen von Flächenabschnitten, wobei die Streuung zwischen den Gewichten dieser Abschnitte als Maß der Flächenungleichmäßigkeit angesehen wird. Dabei reichen Flächenabschnitte nur einer Größe nicht zur Beurteilung der Ungleichmäßigkeit aus; es müssen zumindest zwei Abschniltgrößen, z. B. 3 cm² und 30 cm² untersucht werden. Um die statistische Unsicherheit nicht zu groß werden zu lassen, müssen je Abschnittgröße mindestens 20, besser aber 30 Abschnitte ausgeschnitten und gewogen sowie die Meßwerte statistisch ausgewertet werden. Ein anderes Verfahrensprinzip, das neben dem Schneiden und Wiegen immer wieder zur Diskussion steht, basiert auf der Erfassung der Strahlungsdichte im Durchstrahloder Rückstrahlverfahren, und zwar unter Verwendung einer Strahlenquelle, z. B. einer Lichtquelle oder einer radioaktiven Strahlenquelle, und eines entsprechenden Detektors. Schwankungen der Strahlungsintensität als Folge einer unterschiedlichen Strahlungsdichte korrelieren dabei mit der Flächenungleichmäßigkeit. Dieses Verfahren ist aber nur dann praktisch verwendbar, wenn die lineare Ungleichmäßigkeit längs einer Warenbahn für eine Abtastfläche von 1 mm² bis 1 cm² erfaßt werden soll, und zwar bei stehendem Meßteil und linienförmig bewegter Warenbahn. Wenn dagegen ein Flächenbereich von z.B. 100cm² bis 1000cm² erfaßt werden soll, müßten Strahlenquelle und Detektor einerseits und Warenbahn andererseits eine zweidimensionale Relativbewegung zueinander ausführen. Die dafür erforderliche Steuerung würde das Verfahren sehr komplizieren und verteuern. Deshalb hat sich kein derartiges Verfahren bisher in der Praxis durchgesetzt.

Die Beurteilung von Oberflächen-Unebenheiten im genannten Sinn, also geknitterte oder gekreppte Stoffe bzw. Papiere bzw. die Rauhigkeit eines Garnes usw., erfolgt ebenso wie die Beurteilung einer Schipprigkeit, Streifigkeit usw. bis heute rein visuell und damit subjektiv. Der Nachteil der subjektiven Beurteilung ist hier besonders gravierend, weil es sich speziell im Textilsektor bei den genannten Merkmalen um wichtige Qualitätsmerkmale handelt.

Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein ^D'^e. _r._n _zu schaffen, mit dem die Ungleichmäßigkeit

^V iStur einer Oberfläche auf einfache Weise

^der izierbar erfaßt werden kann.

reprou A_Ufgabe wird erfindungsgemäß durch die im ■> Sehnenden Teil des Anspruchs 1 genannten

Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der

rteErnndug wird im folgenden anhand der Figuren io sJr erläutert: Eszeigt
R" Id 1 ^eine Vorrichtung ^zur Durchlühmng des

Verfahrens,
Rild2einSignaldiagramm.

ry Leistung P (nachstehend Wechselleistung ge- is

χ) eine^r an einem Widerstand R abfallenden Abhängigen elektrischen Spannung ^ ist

P =

TR

■ I [u(o

Uf dt

Dabei sind Ü der Signalmittelwert und T die Zeit, innerhalb welcher die Leistung ermittelt wird.

Andererseits ist die Streuung s² eines zeitabhängigen Signals ufrjdurch die Gleichung
r

^ = ^LJ [U(J)-U]² di

-T

gekennzeichnet, wobei wiederum U den Signalmittelwert bedeutet und Tdie Zeit ist, innerhalb welcher die Streuung ermittelt wird.

Die beiden Gleichungen unterscheiden sich demnach nur durch den Faktor R, der sich durch eine entsprechende Eichung eliminieren läßt. Der Zusam- 4c menhang zwischen der Flächenurigleichmäßigkeit der beschriebenen Arten und dem zeitabhängigen Signal wird durch die beschriebene zeilenweise Abtastung erreicht.

Der Variationskoeffizient der Ungleichmäßigkeit ist beispielsweise zu erhalten, indem die Wechselleistung durch die Leistung des Signalmittelwertes dividiert und der gefundene Wert radiziert wird.

Der untersuchte Flächenbereich kann im makroskopischen oder, unter Verwendung z. B. eines Mikroskops, s im mikroskopischen Bereich liegen. Beim Einsatz von Elektronenstrahl-Abtaströhren ist beispielsweise an Röhren, wie sie üblicherweise als Orthikon-, Plumbikon- und Vidikon-Fernsehröhren verwendet werden, oder an Fotodiodenmatrizen gedacht.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird die Wechselleistung beispielsweise mit handelsüblichen Meßgeräten, wie zum Beispiel Rauschleistungsmessern, Frequenzanalysatoren, Autokorrelatoren ausgewertet. So kann aus der Wechselleistung, wie schon erwähnt, die Streuung ermittelt werden, wohingegen durch eine Frequenzanalyse oder durch eine Autokorrelation des Frequenzspektrums eventuelle Periodizitäten der Flächenungleichmäßigkeit erkannt werden. Mit dem Verfahren kann die Flächenungleichmäßig-

entweder als Verteilung der Strahlungsdichte im

Durchstrahlverfahren

"der als Verteilung einer Strahlungsdichte, die die betrachtete Fläche als Rückstrahlung oder als Eigenstrahlung im Infrarot-, im sichtbaren oder im Uhraviolettbereich aussendet,

erfaßt werden. Die zeilenweise Abtastung kann sich dabei z. B.

auf nur eine Zeile beschranken, vorzugsweise bei bewegtem Objekt,

oder auf mehrere Zeilen erstrecken, wobei das Objekt vorzugsweise stillsteht.

Die Proportionalität des elektrischen Signals mit der

zu erfassenden Flächenui.gleichmäßigkeit wird dadurch erreicht, daß

1. dem elektrischen Signal aufgeprägte impulse, hervorgerufen z. B. durch den Zeilensprung oder den Bildsprung, durch eine geeignete elektronische Schaltung eliminiert werden,

2. die Zeilenlänge und die Zeilenzahl bei der zeilenweisen Erfassung der Ungleichmäßigkeit durch eine weitere geeignete elektronische Schaltung so weit begrenzt werden kann, daß durch die Geometrie der Abtaströhre und des Objektivs bedingte Randfehler eliminiert werden können.

Für das Verfahren kann man eine Fernseh-Kamera verwenden, deren Bildsignal neben dem Nutzsignal einen Gleichspannungsanieil sowie die Zeilen- und Bildimpulse enthält. Nur das Nutzsignal, das heißt das jeweils um den Mittelwert schwankende Signal, ist der Flächenungleichm-ißigkeit proportional; zweckmä-) ßigerweise werden deshalb die anderen drei Anteile eliminiert, was beispielsweise durch die in Bild 1 wiedergegebene Schaltung geschieht.

Das von der Fernsehkamera abgegebene Bildsignal wird über einen Impedanzwandler gegeben, der u. a. den Gleichanteil eliminiert, und erreicht die abgebildete Schaltung in Punkt :i. Die im Impulsdiagramm ( B i 1 d 2) des Punktes a angegebenen kurzzeitigen Spannungseinbrüche stellen die Zeilenimpulse dar, die langzeitigen Spannungseinbrüche geben die Bildimpulse wieder. Daneben werden die Zeilenimpulse und die Bildimpulse auf getrennten Leitungen aus der Kamera heraus den Punkten b bzw. c zugeführt. Die negative Flanke eines Zeilenimpulces kippt den monostabilen Multivibrator AiFl, der nach einer Zeit, die einstellbar ist und im allgemeinen etwas größer als die Zeilenimpulsdauer gewählt wird, wieder zurückkippt. Hierdurch wird der monostabile Multivibrator AiF2 gekippt, der nach einer Zeit die ebenfalls einstellbar ist und im allgemeinen etwas kürzer als die Zeilendauer gewählt wird, wieder zurückkippt. Durch Einstellen von MFl und Mh 2 IaUt sich somit erreichen, daß der monostabil Multivibrator MF2 während eines wählbaren Zeitabschnittes innerhalb der Zeilendauer ein »High«-Signal abgibt. Dies laßt sich dazu verwenden, aus einer Zeile einen beliebigen Ausschnitt auszublenden.

Mit den beiden monostabilen Multivibratoren MhS und A/F4 wird der Bildimpuls durch Einstellungen, die denen der Multivibratoren MFl und MF2 völlig analog sind so aufbereitet, daß die Zeitdauer des High-Signals eine beliebige Zeilenzahl aus dem gesamten Bildsignal auszublenden gestattet.

Es sei zunächst das Ausblenden eines Zeilenausschnitts erläutert. Dazu werde für die Erklärung angenommen, die Bildabtastung befände sich gerade etwa in Bildmittel, so daß der Multivibrator Mh 4 ein Hi^h-^ional abeiht. Innerhalb einer Zeile wird auch der Multivibrator MF2 ein High-Signal abgeben so dab über die beiden Und-Gatter C 1 und C 2 H.gh-S.gnale

an den elektronischen Schaltern £51 und ES 2 anliegen. Das heißt, der elektronische Schalter ES 1 ist geschlossen. Der Widerstand R und der Speicherkondensator G sind so bemessen, daß sich auf dem Kondensator Q der Mittelwert des im Punkt a anliegenden Signals bildet. Gleichzeitig ist am Schalter ES 2 der Arbeitskontakt geschlossen, so daß das Signal vom Punkt a zum Punkt i durchgeschaltet wird. Der Ruhekontakt des Schalters ES 2 ist geöffnet.

Gegen Ende der laufenden Zeile wird der Multivibrator MF2 zum »Low«-Signal zurückkippen und dadurch den Schalter £51 sowie den Arbeilsköntakt des Schalters ES 2 öffnen und den Ruhekontakt des Schalters ES 2 schließen. Hierdurch wird der Bildsignal-Fluß von Punkt a nach Punkt /sowie zum Kondensator Cs unterbrochen. Statt dessen gelangt der auf dem Kondensator gespeicherte Signalmittelwert über den als Impedanzwandler geschalteten Verstärker V zum Punkt /.

Etwas völlig Analoges geschieht am Ende eines Bildes. Dadurch liegt am Punkt /' stets, wie dem Impulsdiagramm /entnommen werden kann, entweder das Bildsignal oder der zeitliche Mittelwert des Bildsignals, wodurch die Zeilen- und Bildimpulse eliminiert sind.

Über einen Koppelkondensator Q wird das aufbereitete Signal dem Leistungsmesser zugeführt.

Die Eichung der gesamten Meßschaltung kann beispielsweise folgendermaßen durchgeführt werden: Vor der Fernsehkamera wird eine Fläche bekannter Ungleichmäßigkeit (z. B. ein Graukeil oder ein Schachbrettmuster) ausgebreitet. Mit Hilfe der Kamerablende und der Beleuchtung wird ein bestimmter mittlerer Signalpegel, der in Punkt a gemessen werden kann, eingestellt. Die hierbei gemessene Wechselleitung ist wie oben gezeigt proportional der bekannten Ungleichmäßigkeit. Dadurch, daß die beschriebene Einstellung mit Flächen weiterer bekannter Ungleichmäßigkeiten wiederholt wird, läßt sich eine Eichkurvc aufbauen. Um bei der eigentlichen Messung die absolute Helligkeit des Meßobjektes zu eliminieren, wird der Signalmittelwert mittels Kamcrablende und Beleuchtung auf denselben Wert wie bei der Eichung eingestellt.

Zwei Vcrsuchsbcispiclc werden im folgenden näher beschrieben, wobei die Beispiele lediglich zur Erläuterung der Erfindung dienen.

Bcispie 1 1

Es wurde eine Milchglasscheibe rückseitig mit Hilfe eines Dia-Projektors gleichmäßig beleuchtet. Auf die Vorderseite der Scheibe wurde eine Fernsehkamera gerichtet, an welche die bereits beschriebene Schaltung angeschlossen wurde. Hieran wurde ein Leistungsmesser in der bereits beschriebenen Art angekoppelt. Anschließend wurden auf die Milchglasscheibe nacheinander Vliesstücke mit unterschiedlichen Ungleichmäßigkeiten aufgelegt. Die Rangfolge der abgelesenen Leistungswerte entsprach der Rangfolge der subjektiv von mehreren Personen bewerteten Ungleichmäßigkeit der Vliesstücke.

Einige Vliesmuster stimmten in ihrer Wolkigkeit annähernd überein, so daß diese Muster von Person zu Person unterschiedlich eingestuft wurden. Dagegen konnte anhand der gemessenen Leistungswerte eine exakt reproduzierbare Rangfolge ermittelt werden.

Beispiel 2

Auf eine weiße Fläche wurde eine Fernsehkamera gerichtet, an welche die bereits beschriebene Schaltung angeschlossen war. Hieran war ein Leistungsmesser in der bereits beschriebenen Art angekoppelt. Die Fläche wurde einseitig schräg beleuchtet und nacheinander mit unterschiedlich geknitterten Vliesstücken belegt. Die Rangfolge der abgelesenen Rauschleistungswerte entsprach der Rangfolge der subjektiv bewerteten Knitterstärke der Vliesstücke.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Ungleichmäßigkeit der Struktur von flächenhaften Gebilden oder Oberflächen von Körpern, insbesondere der Ungleichmäßigkeit der Struktur von Textilien oder Papieren, bei dem ein Bild der Fläche auf einer lichtempfindlichen Schicht sowie ein der Helligkeitsverteilung des Bildes proportionales elektrisches Signal durch zeilenweise elektronische Abtastung des Bildes erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Wechselanteils des Signals breitbandig gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Wechselanteils des Signals durch eine Frequenzanalyse des Signals ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Wechselanteils des Signals durch eine Autokorrelationsanalyse ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Leistungsmessung Frequenzen bis 10 MHz erfaßt werden.