-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Aufzeichnen eines Bildes eines Objekts, wobei die Vorrichtung
umfasst: eine elektronische Kamera, eine oder mehrere Lichtquellen
und Einrichtungen zur Lichtverteilung, die angepasst sind, um von
der Lichtquelle ausgesandtes Licht zu verteilen und um hierdurch
das Objekt zu beleuchten, wobei Licht zur Kamera reflektiert wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufzeichnen eines
Bildes eines Objekts.
-
Gemäß dem Stand der Technik ist
es bekannt, ein Bild eines Objekts durch Verwendung einer elektronischen
Kamera, wie z. B. einer Videokamera, und durch Verwendung einer
oder mehrerer Lichtquellen, die zur Beleuchtung des Objekts verwendet werden,
aufzuzeichnen. In Verbindung mit der Verwendung von Lichtquellen
ist es desgleichen bekannt, Einrichtungen zur Lichtverteilung zu
verwenden, so dass von der Lichtquelle ausgesandtes Licht verteilt
wird, um eine gegebene Lichtverteilung zur erzielen, wenn das Objekt
beleuchtet wird.
-
Z. B. ist es bekannt, ein Bild eines
Objekts durch Verwendung einer Videokamera aufzuzeichnen und hierdurch
eine Reproduktion der räumlichen Verteilung
von Spektralkomponenten in einer großen Anzahl von Punkten im Bild
zu erzielen. Die Spektralkomponenten spiegeln z. B. Farbe und Helligkeit
im einzelnen Bildpunkt wider. Es wird weiter angemerkt, dass zur
Bequemlichkeit Wellenlängen
in sowie aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich des menschlichen
Auges nachstehend bloß als
Farbe bezeichnet werden.
-
Auf Grundlage der aufgezeichneten
Bilder ist es wünschenswert,
Information über
Objekte, von denen Bilder gebildet worden sind, durch Analysen der
sichtbaren Eigenschaften der Objekte zu gewinnen. Solche Analysen
können
z. B. eine Analyse der Farbe in ausgewählten Bildpunkten oder eine
Analyse der Textur, d. h. Farbvariationen, in ausgewählten Bereichen
in aufgezeichneten Bildern umfassen.
-
Eine Analyse von Objekten unter Verwendung
einer solchen Stand-der-Technik-Vorrichtung weist
jedoch die Begrenzung auf, dass Schranken gesetzt werden, wie kleine
Unterschiede im Farbton registriert werden können und wie gut sie auf bekannte
Farbbezüge
zurückgeführt werden
können.
Dies führt
zur einer Beschränkung
in den möglichen
Verwendungen von diesen Vorrichtungen. Beim Aufzeichnen von Bildern
in einem begrenzten Wellenlängenbereich
sind z. B. Beleuchtungsvariationen kritisch. Dies führt zu einer
Messungsunzuverlässigkeit und
macht die Reproduktion von Bildaufzeichnungen schwierig und schlimmstenfalls
unmöglich.
Dies bedeutet, dass Stand-der-Technik-Vorrichtungen in vielen Fällen in
Verbindung mit einer Analyse von Objekten nicht verwendet werden
können.
-
Aus dem Stand der Technik ist es
bekannt, eine Vorrichtung des vorstehend erwähnten Typs zu verwenden, wobei
- – die
Einrichtungen zur Lichtverteilung einen Integrierhohlraum umfassen,
auf dessen Innenseite eine reflektierende Beschichtung aufgebracht worden
ist, wobei der Integrierhohlraum mit einer ersten und zweiten Öffnung versehen
ist,
- – die
Kamera in Ausrichtung mit der ersten Öffnung platziert ist, so dass
sich die optische Achse der Kamera durch die erste und zweite Öffnung erstreckt,
- – die
zweite Öffnung
angepasst ist, um das Objekt aufzunehmen, und dass
- – die
eine oder mehreren Lichtquellen angebracht sind, um das Innere des
Integrierhohlraums zu beleuchten.
-
Zum Beispiel stellt die
US 5,519,513 A eine Vorrichtung
von diesem Typ dar.
-
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine
Vorrichtung zur Aufzeichnung von Bildern von Objekten bereitzustellen,
wobei die aufgezeichneten Bilder wohlspezifizierte und konstante
spektrale Eigenschaften über das
ganze Bildfeld aufweisen. Ein anderes Ziel ist es, eine Vorrichtung
zum Aufzeichnen von Bildern mit einer hohen spektralen Auflösung bereitzustellen.
-
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung
durch eine Vorrichtung und ein Verfahren wie durch die Ansprüche 1 bzw.
12 definiert erzielt.
-
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
liefert eine wohldefinierte homogene und diffuse Beleuchtung, die
Farbtöne
statt feine topografische Unterschiede – Variationen in der Oberfläche des
Objekts – hervortreten
lässt und
ermöglicht,
dass die Kamera Bilder mit wohlspezifizierten konstanten spektralen Eigenschaften über das
ganze Bildfeld aufzeichnet. Dies bedeutet, dass Information über Farben
und dadurch über
Textur von den Bildern mit einer viel größeren Qualität und selbst
für Objekte,
für die
dies vorher nicht möglich
gewesen ist, gewonnen werden können.
-
Gemäß der Erfindung wird eine Kalibrierung der
Vorrichtung durchgeführt,
indem ein oder mehrere Kalibrierobjekte mit bekannten optischen
Eigenschaften verwendet werden und die im Gesichtsfeld der Kamera
platziert sind.
-
Hierdurch können eine homogene Empfindlichkeit über das
ganze Bildfeld für
alle Spektralbänder
und eine Transformation von Bildelementwerten zu den gewünschten
spektralen Koordinaten erzielt werden. Es ist zusätzlich gewährleistet,
dass Analysen, die auf Grundlage davon ausgeführt werden, reproduzierbar
sind.
-
In zweckmäßigen Ausführungsformen werden ein oder
mehrere der Kalibrierobjekte zur Verwendung in einer spektralen
und geometrischen Kalibrierung der Vorrichtung konstruiert.
-
In einer zweckmäßigen Ausführungsform sind eines oder
mehrere Kalibrier objekte auf derselben oder annähernd derselben Ebene wie das
Objekt positioniert. Dies liefert den Vorteil, dass die Kalibrierung
der Vorrichtung in der Ebene ausgeführt wird, in der das Objekt
positioniert ist.
-
Eine zweckmäßige Ausführungsform einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Integrierhohlraum um eine erste
Achse symmetrisch ist und dass die Kamera so platziert ist, dass
die optische Achse der Kamera mit der ersten Achse zusammenfällt oder
mindestens mit ihr annähernd
zusammenfällt.
In einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform
ist der Integrierhohlraum kugelförmig.
-
In einer zweckmäßigen Ausführungsform sind eine oder mehrere
der Lichtquellen an dem Integrierhohlraum so platziert, dass die
Lichtquellen Licht direkt in den Integrierhohlraum aussenden. Eine
besonders einfache Struktur der Vorrichtung wird dadurch erzielt.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform
sind eine oder mehrere der Lichtquellen außerhalb des Integrierhohlraums
platziert und wird Licht über
Lichtleiter in den Integrierhohlraum eingeleitet. Dies führt zu verringerter
Erwärmung
des Integrierhohlraums wegen ausgesandter Leistung von den Lichtquellen. Eine
ansammelte Positionierung der Lichtquellen außerhalb des Integrierhohlraums
ermöglicht
außerdem
eine zentrale spektrale Kalibrierung der Lichtquellen.
-
In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Kamera so
angepasst, dass sie eine Darstellung von aufgezeichneten Bildern
zu einer Recheneinheit liefert, und die Recheneinheit ist so angepasst,
dass sie Berechnungen auf Grundlage von einer oder mehreren der
Darstellungen durchführt.
Es ist hierdurch gewährleistet,
dass eine Bildanalyse ausgeführt
werden kann und dass Information über das Objekt durch Verwendung
der Recheneinheit gewonnen werden kann.
-
In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Kamera in
Bezug zum Integrierhohlraum fest. Dies liefert einen wohldefinierten
Abstand zwischen der Kamera und der zweiten Öffnung und hierdurch eine wohldefinierte
Brennebene.
-
In einer zweckmäßigen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung
eine Trägerebene,
auf der das Objekt platziert werden kann, und der Integrierhohlraum
und die Trägerebene
sind in Bezug zueinander bewegbar angeordnet. Dies gewährleistet, dass
das Objekt leicht in die Vorrichtung eingesetzt werden kann.
-
Zusätzliche zweckmäßige Ausführungsformen
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
sind in den Ansprüchen
12 bis 14 definiert.
-
Wie erwähnt, betrifft die Erfindung
auch ein Verfahren zum Aufzeichnen eines Bildes eines Objekts unter
Verwendung einer elektronischen Kamera, einer oder mehrerer Lichtquellen
und Einrichtungen zur Lichtverteilung, wobei von der einen oder
den mehreren Lichtquellen ausgesandtes Licht verteilt wird, um das
Objekt zu beleuchten, wobei Licht zur Kamera reflektiert wird.
-
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet
durch Verwenden eines Integrierhohlraums bei der Lichtverteilung,
auf dessen Innenseite eine lichtreflektierende Beschichtung aufgebracht worden
ist und der mit einer ersten und zweiten Öffnung versehen ist, Positionieren
der Kamera in Ausrichtung mit der ersten Öffnung, so dass sich die optische
Achse der Kamera durch die erste und zweite Öffnung erstreckt, Aufnehmen
des Objekts in der zweiten Öffnung
und Beleuchten des Inneren des Integrierhohlraums unter Verwendung
der einen oder mehreren Lichtquellen. Die in Verbindung mit der
entsprechenden Vorrichtung gemäß der Erfindung
erwähnten
Vorteile werden hierdurch erzielt.
-
Zweckmäßige Ausführungsformen eines Verfahrens
gemäß der Erfindung
sind in den Ansprüchen
16 bis 21 definiert.
-
Die Erfindung wird nun nachstehend
mit Bezug auf die Zeichnung vollständiger beschrieben.
-
1 veranschaulicht
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,
-
2 stellt
Stadien bei einer Bildaufzeichnung dar,
-
3 erläutert eine
geometrische Kalibrierung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
-
4 erläutert eine
spektrale Kalibrierung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, und
-
5 stellt
Beispiele für
die Bestimmung von qualitativen Maßen in einem aufgezeichneten
Bild dar.
-
Die Figuren sind zwecks Klarheit
schematisch und vereinfacht, und sie zeigen bloß Einzelheiten, die für das Verstehen
der Erfindung wesentlich sind, während
andere Einzelheiten weggelassen sind. Überall werden dieselben Bezugszahlen
für identische
oder entsprechende Teile verwendet.
-
1 stellt
ein Beispiel für
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
dar. Die Vorrichtung 102, die so angepasst ist, dass sie
Bilder eines Objekts 103 aufzeichnet, umfasst eine elektronische
Kamera 102, wie z. B. eine Videokamera, und eine Lichtquelle 104. Die
Lichtquelle 104 ist mit Einrichtungen zur Lichtverteilung
verbunden, die in der dargestellten Ausführungsform durch eine Kugel 105 mit
einem kugelförmigen
Integrierhohlraum 106 gebildet sind, dessen innere Wände nachstehend
als die Innenseite 107 der Kugel bezeichnet werden. Das
Objekt 103 ist auf einer Trägerebene 112 platziert,
die in Bezug zur Kugel 105 und zur Kamera 102 bewegbar
angeordnet ist. Die Kamera 102 ist an einer ersten Öffnung 109 in
der Kugel 105 platziert, und das Objekt kann in einer zweiten Öffnung 110 der
Kugel 105 durch Bewegung der Trägerebene 112 aufgenommen
werden. Es wird angemerkt, dass die Vorrichtung auch einen Motor 111 umfasst,
der mit der Trägerebene 112 verbunden
ist und der so angepasst ist, dass er die Bewegung der Trägerebene 112 und
dadurch des Objekts 103 ausführt. Die Vorrichtung 101 umfasst
zusätzlich
einen Rechner 114, der so angepasst ist, dass er die Bildaufzeichnung
steuert. Der Rechner ist mit der Kamera 102, mit der Lichtquelle 104 und
mit dem Motor 111 verbunden.
-
Eine matte lichtreflektierende Beschichtung ist
auf die Innenseite 107 der Kugel aufgebracht, wodurch bewirkt
wird, dass von der Lichtquelle 104 ausgesandtes Licht verteilt
wird, so dass eine diffuse und homogene Beleuchtung in der Kugel 105 erzielt
wird. Es wird angemerkt, dass die Kugel 105, die nachstehend
auch als die Integrierkugel bezeichnet wird, zweckmäßigerweise
aus einem dimensionsstabilen Material, wie z. B. Kohlenstofffaser,
gebildet ist, das mit einer Gelschicht auf der Innenseite versehen
ist, auf der ein weißer
Streuanstrichstoff aufgetragen worden ist. Dieser Anstrichstoff
kann z. B. auf Bariumsulfat beruhen.
-
Die erste und zweite Öffnung 109, 110 der Kugel
werden nachstehend als Kameraöffnung
bzw. Sichtöffnung
bezeichnet. Die Sichtöffnung 110 ist
zur Aufnahme eines Objekts 103 angepasst. Die Kamera 102 wird
an der Kameraöffnung 109 so
platziert, dass sie Bilder des Objekts 103 durch die erwähnten zwei Öffnungen 109, 110 aufzeichnen
kann. Wie in der Figur dargestellt, wird dies erreicht, indem die
Kamera 102 so platziert wird, dass sich ihre optische Achse durch
sowohl die Kameraöffnung 109 als
auch die Sichtöffnung 110 erstreckt.
Die Kameraöffnung 109 ist
zweckmäßigerweise
verhältnismäßig klein,
und die Sichtöffnung 110 ist
zweckmäßigerweise
an die gewünschte
Objektgröße angepasst.
Das Verhältnis des
Sichtöffnungsdurchmessers
zum Durchmesser des kugelförmigen
Hohlraums 106 muss so klein wie praktisch möglich gehalten
werden, um die bestmögliche
Beleuchtung in der Kugel zu erzielen. Die Kugel 105 macht
es möglich,
eine gleichmäßige diffuse
Beleuchtung oder mindestens eine annähernd gleichmäßige diffuse
Beleuchtung der Sichtöffnung 110 zu erzielen.
Reflexionen von der Sichtöffnung 110 (Selbstbeleuchtung)
und dadurch eine Beleuchtung, die vom Messobjekt 103 abhängt, sind
ein Effekt, der im Allgemeinen nicht entfernt werden kann, der aber optisch
oder digital kompensiert werden kann.
-
Der Abstand zwischen der Kugel 105 und
der Linse der Kamera wird so groß gewählt, dass direktes Licht von
der Lichtquelle 104 nicht auf das Linsenglas fällt. Die
Linse ist in einem Bereich um die Sichtöffnungsebene 110 scharf
eingestellt. Jegliche Kamera kann verwendet werden, sei sie analog/digital, farbig/schwarzweiß. Z. B.
kann eine CCD-Kamera einbegriffen sein.
-
Die Lampe der Lichtquelle 104 ist
auf der Grundlage der gewünschten
Beleuchtungsstärke und
spektralen Leistungsverteilung ausgewählt. Das Licht wird entweder
direkt in die Kugel 105 eingeleitet, d. h. die Lampe ist
direkt auf der Kugel positioniert, oder mittels Lichtleitern. Die
Lichtquellen 104 können
mit der alleinigen Beschränkung
positioniert sein, dass eine direkte Beleuchtung der Sichtöffnung 110 zu
vermeiden ist. Das letztere kann fakultativ sichergestellt sein,
indem Abschirmungen in der Kugel 105 um die Lichtquelle
angeordnet sind. Dies liefert den zusätzlichen Vorteil, dass eine
direkte Beleuchtung der Kameraöffnung 109 vermieden
wird. Dieses Abschirmen der Lichtquellen ist in der Figur nicht
veranschaulicht, da es unter Verwendung von bekannten Abschirmungen
durchgeführt
werden kann.
-
Der Motor 111, der durch
den Rechner gesteuert wird, stellt sicher, dass das Objekt in die Sichtöffnung 110 platziert
wird, entweder durch Auf- und Abbewegung der Basis wie ein Kolben
und/oder durch Auf- und Abbewegung der Kamera und der Kugel. Die
Trägerebene
oder die Basis ist als eine plane Fläche gebildet, sie kann aber
z. B. auch die folgenden Funktionen aufweisen:
- – Fixierung
des Messobjekts sowohl lateral als auch in Bezug zur Brennebene,
d. h. in der Höhe.
- – Optischer
Hintergrund für
das Messobjekt. Kann gesteuert werden, und Kalibrierobjekte und/oder Kalibrierfarben
können
fakultativ hineingebracht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine
Selbstbeleuchtung zu kompensieren.
- – Automatisierung
oder bloß leichte
Handhabung, indem man die Basis unter der Kugel sich zu einem Wagenstopp
lateral einwärts
bewegen lässt, das
Bild aufgezeichnet wird und man dann die Basis wieder weiter- oder
herausfahren lässt.
-
Der Motor 111 sorgt folglich
für die
Bewegung des Integrierhohlraums 106 in Bezug zur Trägerebene 112,
zum Teil zum Platzieren des Objekts 113 oder der Probe
in die Sichtöffnung,
was eine Messung von vielen Proben, die auf der Trägerebene platziert
sind, ermöglicht.
In diesem Zusammenhang kann die Trägerebene in Zellen eingeteilt
sein. Im allgemeinen Fall muss der Motor 111 deshalb für eine xyz-Bewegung
sorgen. Jedoch kann der Motor vollständig weggelassen werden, wenn
die Probe durch andere Einrichtungen zur Sichtöffnung hin- oder an ihr vorbeibewegt
wird.
-
In der dargestellten Ausführungsform
ist die Kamera 102 in Bezug zum Integrierhohlraum 106 fest.
Dies ist zweckmäßig, da
es eine Fixierung der zweiten Öffnung
der Kugel und dadurch der Brennebene in Bezug zur Kamera ermöglicht.
Dieses Fixieren wird z. B. wie in 1 dargestellt
ausgeführt,
indem die Kamera 102 unter Verwendung eines Fixierarms 115 an
der Kugel 105 befestigt wird.
-
Kalibrierobjekte 113 mit
zwei Typen von Information werden zur Kalibrierung der Vorrichtung 101 verwendet.
Teils ein Kalibrierobjekt von bekannter Geometrie, wie z. B. Punkte
mit einer gegebenen wechselseitigen Größe und Position, teils zwei
oder mehr bekannten Farben, wie z. B. Schwarz und Weiß (ein Beispiel
hierfür
sind die NCS-Farben S-9000-N und S-0500-N). Es wird angemerkt, dass
der Begriff 'Farbe' als ein Synonym
für Spektralkomponenten verwendet
wird und deshalb breit interpretiert werden muss, da in diesem Zusammenhang
kein Unterschied zwischen Farben innerhalb oder außerhalb des
sichtbaren Wellenlängenbereichs
für Menschen gemacht
wird.
-
Der Rechner 114 aktiviert
den Motor 111, so dass das Objekt 103 in die Sichtöffnung 110 platziert wird.
Dann zeichnet der Rechner 114 ein oder mehrere Bilder des
Objekts unter Verwendung der Kamera 102 auf und entfernt
dann das Objekt 103 von der Sichtöffnung 110, indem
der Motor 111 wieder aktiviert wird. Der Rechner 114 empfängt hierdurch
eine digitale Videosequenz von der Kamera 102. Es wird angemerkt,
dass es nicht entscheidend ist, ob die Digitalisierung des Videosignals
in der Kamera 102 oder im Rechner 114 ausgeführt wird.
Weiter kann ein Fußpedal
oder eine ähnliche
Aktivierungseinheit für
den Rechner vorgesehen sein, wodurch es für den Benutzer leicht gemacht
wird, die Vorrichtung zu betreiben.
-
Der Rechner 114 ist so angepasst,
dass er die ganze Messsitzung steuert, und weist eine Benutzerschnittstelle
auf, die einen Betrieb leicht macht. Eine spektrale sowie geometrische
Kalibrierung wird ausgeführt,
und dann werden anwendungsabhängige
Summierberechnungen durchgeführt,
z. B. eine Analyse von Wellenlängenspektrum,
Form und Textur. Die Ergebnisse und kalibrierten Bilder werden direkt
auf einem Bildschirm angezeigt, der dem Rechner zugeordnet ist,
und/oder werden in einer geeigneten digitalen Form in einem Speicher
gesichert, der dem Rechner zugeordnet ist.
-
Die Vorrichtung 101 kann
in Verbindung mit einer Multispektralbildaufzeichnung unter Verwendung
z. B. einer Schwarzweißkamera
mit zeilensequenter Abtastung und augenblicklichem Schalten zwischen
einer Beleuchtung von unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Ein
erstes Filterrad 120 mit z. B. 10 unterschiedlichen Filtern
ist in Verbindung mit der Lichtquelle 104 angeordnet. Das
Licht wird durch das Filter und über
einen Lichtleiter in die Kugel eingeleitet, und das verwendete Filter
kann augenblicklich gewechselt werden, indem das Filterrad 120 gedreht
wird. Das Filterrad 120 triggert die Kamera 102 und
den Rechner 110 zum gleichen Zeitpunkt, so dass z. B. ein
Bild für
jedes neue Filter aufgezeichnet wird. Hierdurch können z.
B. 30 spektrale Bilder in 1 Sekunde aufgezeichnet werden. Dies kann auch
als eine entsprechende Lösung
implementiert sein, indem das Filterrad 120 durch lichtemittierende Dioden
von unterschiedlichen Farben ersetzt wird, und fakultativ, indem
das Licht direkt in die Kugel eingeleitet wird. In diesem Fall könnte es
die Kamera 103 sein, die den Zeitablauf steuert. Filter
mit einer flachen spektralen Transmission, die einen gegebenen Prozentsatz
des Lichts filtern, können
auch verwendet werden, z. B. um Bilder von unterschiedlichen Dynamikbereichen
aufzuzeichnen.
-
Beide Lösungen können mit der Option von Fluoreszenz
kombiniert werden. In diesem Fall muss ein Filter 121 zwischen
der Kameraöffnung 109 und der
Linse der Kamera dazwischengeschaltet sein, wobei das Filter so
angepasst ist, dass es das Erregerlicht filtert. Dieses Filter kann
z. B. ein zweites Filterrad 121 sein, das durch das erste
Filterrad 120 gesteuert wird, wobei das erste Filterrad 120 als
ein Zeitablaufmaster dient.
-
Die Messprozedur ist in 2 dargestellt. Nach Aktivierung
der Messung (Schritt 201) wird die Probe in die Brennebene
der Kamera platziert (Schritt 202), die typischerweise
um die Sichtöffnung angeordnet
ist. Diese zwei ersten Schritte können gleichzeitig ausgeführt werden
oder in einigen Anwendungen in umgekehrter Reihenfolge. Wenn er
in der hier angegebenen Reihenfolge stattfindet, kann die Vorrichtung
selbst eine Implementierung von Schritt 2 aktivieren. In Schritt
3 werden eines oder mehrere Bilder unter Verwendung der Kamera 202 aufgezeichnet,
und eine Darstellung von diesen Bildern wird zum Rechner 114 übertragen
und in seinem Speicher gespeichert. Dann kann die Probe entfernt
werden (Schritt 204a), und es können Vorbereitungen für die nächste Probe
vorgenommen werden, wobei zum Schritt 201 vorgerückt wird.
Wie in Schritt 204 erläutert,
kann in Fällen,
wo mehrere Bilder aufgezeichnet worden sind, ein bildelementweises
Glätten
ausgeführt
werden. Dies kann z. B. eine einfache Mittelwertbildung der Bilder
für jedes
Bildelement sein, aber es können
auch robustere Glättungsverfahren,
wie z. B. Median- oder getrimmter Mittelwert, verwendet werden.
Wo eine Farb- oder Multispektralmessung einbegriffen ist, wird dieses
Glätten
für jedes
Band ausgeführt.
Das sich ergebende Durchschnittsbild wird nun in Übereinstimmung
mit der Kalibrierung ausgerichtet, Schritt 205. Es wird
angemerkt, dass die Kalibrierung vollständiger in Verbindung mit den 3 und 4 beschrieben wird. Dies findet durch
geometrische Ausrichtung statt, der eine spektrale Ausrichtung folgt
oder umgekehrt. Die ausgerichteten Bilder können in einer Datenbank gesichert
werden (206a), und eine Anzahl von quantitativen Messungen
kann von den Bildern berechnet werden (Schritt 206), was
in Verbindung mit 5 vollständiger beschrieben
wird. Die quantitativen Maße können zusammen
mit den Bildern in der Datenbank gesichert werden.
-
3 erläutert eine
geometrische Kalibrierung der Vorrichtung 101. Die Kalibrierobjekte 113, die
als geometrische Bezugsproben verwendet werden, sind Flächen oder
Objekte mit einer Mehrzahl von Bezugspositionen mit einer wohldefinierten
relativen wechselseitigen Positionierung. Z. B. ist es möglich, einen
Bogen mit einer Mehrzahl von schwarzen Punkten mit einer bekannten
wechselseitigen Größe und Position
zu verwenden, die z. B. in einer rechteckigen Matrixstruktur mit
bekannten Abständen
positioniert sind. Die Mitten der Punkte können hierdurch als Bezugspositionen
verwendet werden und hierdurch zur Ausführung einer geometrischen Kalibrierung
der Vorrichtung verwendet werden, um geometrische Fehler in den
Bildern zu beseitigen und eine gewünschte Metrik im Bildfeld einzuführen.
-
Die geometrische Kalibrierung wird
initiiert, wie in Schritt 301 angezeigt, indem die Schritte 201 bis 204 der
Messprozedur ausgeführt
werden (siehe 2), um
Durchschnittsbilder von einem oder mehreren geometrischen Bezugsproben
zu erzeugen. Dann werden die Bezugspositionen in den Bildern lokalisiert
(Schritt 302), und jeder Bezugsposition wird eine Sollposition
(oder Koordinate) im ausgerichteten Bild gegeben. D. h. eine Bildposition
und eine Sollposition für
jede Bezugsposition werden erhalten. Die Beziehung zwischen Bildpositionen
und Sollpositionen können
z. B. mittels gewöhnlicher
Regressionsverfahren der kleinsten Quadrate oder Interpolation modelliert
sein (Schritt 303). Die Parameter für das angepasste Modell werden
gesichert und für
die geometrische Ausrichtung verwendet. [Die geometrische Kalibrierung
für jedes
Band wird durch Farb- oder Multispektralmessung ausgeführt.] Für Farb- oder
Multispektralmessungen wird die geometrische Kalibrierung für jedes
Band ausgeführt.
Für eine
geometrische Kalibrierung des einzelnen Bandes kann es in einigen
Fällen
zweckmäßig sein,
bloß eine
Untermenge von diesen Bezugspositionen zu verwenden.
-
4 erläutert eine
spektrale Kalibrierung der Vorrichtung 101. Die Kalibrierobjekte 113,
die als spektrale Bezugsproben verwendet werden, sind Flächen oder
Objekte, die einen oder mehrere Bereiche mit räumlicher homogener spektraler
Verteilung durch Reflexion enthalten. Jeder Bereich muss einer oder
mehreren spektralen Koordinaten zugeordnet sein, die relevante Eigenschaften
der spektralen Verteilung beschreiben. Typischerweise könnten die
Bezugsproben gleichmäßig gefärbte Bezugsbogen
von einem Farbstandard, wie z. B. NCS, sein. Die spektralen Koordinaten
würden
dann natürlich
die NCS-Koordinaten des Bezugsbogens sein.
-
Die spektrale Kalibrierung soll eine
homogene Empfindlichkeit über
das ganze Bildfeld für
alle Bänder
und eine Transformation von Bildelementwerten zu den gewünschten
spektralen Koordinaten bereitstellen. Schritt 401 erläutert, dass
die spektrale Kalibrierung zuerst ein Verwenden der Schritte 1 bis 4
der Messprozedur zur Erzeugung von Durchschnittsbildern von einer
oder mehreren spektralen Bezugsproben mit bekannten spektralen Koordinaten
für jeden
Bereich umfasst. Jedes Bildelement mit bekannten spektralen Koordinaten
kann nun entweder mit seiner Position in der Form von spektralen Kalibrierbildern
gesichert werden, oder es können Mittelwerte
(oder robuste Varianten davon) von sämtlichen Bildelementen mit
denselben spektralen Koordinaten gebildet werden, die zur Modellierung
der Beziehung zwischen (Multispektral)-Bildelementwert und spektralen
Koordinaten nützlich
sind (Schritt 402). Die erste Kategorie bildet die Basis
für das
Modellieren der Beziehung zwischen Bildelementwert und spektraler
Koordinate für
die gegebenen Bildelemente, und die zweite Kategorie bildet die
Basis für das
Modellieren der Beziehung zwischen Bildelementwert und spektraler
Koordinate im Allgemeinen. Typischerweise ist es zweckmäßig, zwei
oder mehr vollständig
homogene Bogen für
die erste Kategorie zu verwenden, um für die zweite Kategorie verwendete
Bilder spektral auszurichten und dann das Modell von der zweiten
Kategorie anzupassen. Ein Modellieren der Beziehung kann für beide
Kategorien durch Standardverfahren stattfinden, wie z. B. Regression
der kleinsten Quadrate, Interpolation und/oder Extrapolation.
-
Es wird angemerkt, dass die Bildausrichtung in
Schritt 205 in 2 dadurch
stattfindet, indem eine geometrische Ausrichtung auf Grundlage der
geometrischen Kalibrierung und eine spektrale Ausrichtung auf Grundlage
der spektralen Kalibrierung vorgenommen wird.
-
Die geometrische Ausrichtung findet
für jedes
Band im Bild durch Erzeugung eines ausgerichteten Bildes auf Grundlage
des Durchschnittsbildes und des angepassten geometrischen Modells
statt. Dies findet durch allgemein bekannte Verfahren im Bereich
geometrischer Ausrichtung und Wiederholungsprobennahme statt.
-
Die spektrale Ausrichtung findet
statt, indem zuerst die bildelementweise spektrale Kalibrierung (erste
Kategorie) und dann die allgemeine spektrale Kalibrierung (zweite
Kategorie) verwendet wird. Dies findet durch Verwendung der angepassten
Modelle statt. Dann werden Bildelementwerte in dem spektralen System
von Koordinaten dargestellt.
-
In Schritt 206 in 2 können ein oder mehrere quantitative
Maße im
ausgerichteten Bild berechnet werden. Eine Anzahl von möglichen
Messungen werden in 5 skizziert.
-
Im ersten Fall kann eine Segmentierung
des Bildes ausgeführt
werden, Schritt 501. Die Segmente definieren Untermengen
von Bildelementen, auf denen die Berechnung auszuführen ist.
Ein einfaches Beispiel kann ein vordefiniertes Rechteck im Gesichtsfeld
sein, das als ein Bereich von Interesse dient. Ein Segment kann
auch durch die Menge von Bildelementen mit spektralen Koordinaten
in einem speziellen Bereich des spektralen Systems von Koordinaten
definiert sein. Im Allgemeinen kann jegliches Segmentierungsverfahren
verwendet werden. Die Anzahl von Segmenten, Größenverteilung, Formfaktorverteilungen
und Parameter räumlicher
Verteilung für
die Segmente selbst können
relevante quantitative Maße
sein, wie z. B. sogenannte Segmentierungsmaße. Eines oder mehrere qualitative
Maße können auf
Grundlage der Segmentierung bestimmt werden, wie in den Schritten 502a, 502b und 502c angezeigt. Der
Benutzer kann z. B. bestimmen, welcher von diesen Schritten ausgeführt wird.
-
Farbmaße werden auf jedem Segment
berechnet (Schritt 502a), und Maße, die die Farbmaßverteilungen
kennzeichnen, werden auf Grundlage von diesen Farbmaßen berechnet
(Schritt 503a). Ein bevorzugtes Farbmaß ist durch eine Gewichtsfunk tion
w(spektrale_Koordinaten) gegeben, die im spektralen System von Koordinaten
definiert ist, so dass das Farbmaß der Mittelwert von w(spektrale_Koordinaten
(Bildelement)) von allen Bildelementen im Segment ist. Die Gewichtsfunktion ist
kritisch und kann für
die konkrete Anwendung ausgewählt
werden. Ein Beispiel für
eine Gewichtsfunktion für
ein RGB-Bild ist eine Funktion, wo die Gewichte auf Helligkeitswerten
(z. B. R + G + B), die größer als
ein gewisser Wert (helle Bildelemente) und kleiner als ein anderer
Wert (dunkle Bildelemente) sind, Null sind und die übrigen Gewichte
entlang einer Linie im RGB-Raum linear ansteigen. Diese Linie definiert
die Farbkomponente, die gemessen wird. Die Gewichtsfunktion kann
auch relativ für
die Verteilung von spektralen Koordinaten für das einzelne Segment ausgewählt werden.
In diesem Fall kann die vorstehend erwähnte Gewichtsfunktion so geändert werden,
dass z. B. 20% der Bildelemente der höchsten Helligkeit und 30% der
Bildelemente der niedrigsten Helligkeit das Gewicht Null bekommen.
Die übrigen
Gewichte steigen entlang einer Linie im RGB-Raum linear an.
-
Texturmaße werden auf jedem Segment
berechnet (Schritt 502b), und Maße, die Texturmaßverteilungen
kennzeichnen, werden auf der Grundlage von diesen Texturmaßen berechnet
(Schritt 503b). Ein bevorzugtes Texturmaß ist durch
eine Gewichtsfunktion w(spektrale_Koordinaten) gegeben, die im spektralen
System von Koordinaten definiert ist (wie vorstehend), so dass das
Texturmaß ein
Verteilungsmaß (andere
als der Mittelwert) für
die Verteilung von w(spektrale_Koordinaten (Bildelement)) von allen Bildelementen
im Segment ist. Beispiele für
Verteilungsmaße
sind Maße
auf Grundlage von statistischen Momenten und Quantilen. Ein anderes
bevorzugtes Texturmaß umfasst
zuerst Transformieren/Filtern von jedem Band im segmentierten Bild
und dann Ausführen
einer Farbmessung wie vorstehend. Beispiele für Transformationen/Filterungen
sind die Fouriertransformation und die Größe davon, Faltungen und morphologische
Operationen.
-
Segmentierungsmaße werden auf jedem Segment
berechnet (Schritt 502c).
-
Die berechneten Maße können z.
B. so kombiniert werden, dass ein Maß mit einem anderen normalisiert
ist.
-
In der Messprozedur können spektrale
Bezugsproben im Gesichtsfeld der Kamera verwendet werden, die in
Verbindung mit dem Integrierhohlraum 106 auf der Basis
oder auf der Probe angeordnet sind. Dies liefert zwei Vorteile:
erstens kann eine Drift von Messungen in Bezug zur Kalibrierung
gemessen werden, und zweitens kann der Einfluss der Probe (Selbstbeleuchtung)
auf das Licht im Integrierhohlraum gemessen werden. Diese Messungen
können zur
Einstellung der spektralen Ausrichtung speziell für die gegebene
Messung verwendet werden.
-
Die Farbe der Basis ist besonders
wichtig für transparente
oder semitransparente Proben. In dieser Situation wird zweckmäßigerweise
eine spektral homogene Fläche
verwendet. Eine andere Möglichkeit
ist, dass die Basis eine aktive Lichtquelle, z. B. eine faseroptische
Lichtplatte, oder eine weitere Lichtquelle auf Grundlage eines Integrierhohlraums ist.
Im Fall, dass die Basis eine aktive Lichtquelle ist, ist das Verhältnis zwischen
Lichtstärke
in den beiden Hohlräumen
ein wichtiger Parameter, und dieses Verhältnis wird z. B. durch Verwendung
des Rechners gesteuert, der mit beiden Lichtquellen verbunden ist.
-
Eine Vorrichtung und ein Verfahren
gemäß der Erfindung
weisen eine große
Anzahl von Anwendungen auf, was durch Angabe von einigen Beispielen
veranschaulicht wird. Es sollte jedoch betont werden, dass die beschriebenen
Anwendungen bloß als Beispiel
gegeben werden, da die Vorrichtung und das Verfahren auch in einer
großen
Anzahl von anderen Zusammenhängen
verwendet werden können.
-
Eine Klassifizierung von Pilzen direkt
in z. B. Petrischalen kann als ein erstes Beispiel für eine Anwendung
erwähnt
werden. Das Problem besteht darin, z. B. einen Pilz zu identifizieren
und möglicherweise
charakteristische Eigenschaften zu messen, wie z. B. Wachstumsgeschwindigkeiten.
Eine Identifizierung findet heutzutage dadurch statt, dass eine Person
visuell die Spezies bestimmt und/oder eine chemische Analyse auf
Metaboliten von dem Pilz ausführt.
Es gibt viele Tausende von unterschiedlichen Pilzen und die feinen
Unterschiede in den Reflexionen von diesen Pilzen sind typischerweise
sehr klein, was eine korrekte Bestimmung behindert und was zu einer
Unzuverlässigkeit
in der Reproduktion von vorgenommenen Bestimmungen führt. Einige Pilze
fluoreszieren. Die vorliegende Erfindung macht es möglich, allerfeinste
Unterschiede auf eine Standardweise zu messen, fakultativ mit vielen
Spektralbändern
einschließlich
Fluoreszenz. Der Umstand, dass die Technik bilderzeugend ist, liefert
eine Kenntnis davon, wo Messungen gemacht sind, d. h. die gemessenen
Farben können
mit einer Position in Bezug zu z. B. der Mitte des Pilzes verbunden
werden. Die Verwendung einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß der Erfindung
vermeidet die anschließende kostspielige
und verhältnismäßig unzuverlässige chemische
Analyse, wie z. B. HPLC-Analyse, die sonst in diesem Gebiet weitverbreitet
verwendet wird. Für
eine Petrischalenbilderkennung scheint die Multispektralversion
die geeignetste zu sein, da viele Pilze heutzutage auf Fluoreszenz
identifiziert werden. Die Kombination von dieser Bildaufzeichnung, Bildkalibrierung,
Bildanalyse und Bezugsdatenbank kann dieses Gebiet revolutionieren.
Es wird angemerkt, dass z. B. Nahrungsmittelproduktbilderkennung
analog mit Petrischalenbilderkennung ausgeführt werden kann.
-
Eine Bildaufzeichnung von Textilien,
wie z. B. Denim, kann als ein zweites Beispiel erwähnt werden.
Gemäß dem Stand
der Technik gibt es drei konkrete Messungen auf Denim, wo die Vorrichtung wichtig
ist und unterlegene Reflektormeterlösungen ersetzen kann. Zwei
von ihnen betreffen Stonewash von Denim. Es ist erwünscht, dass
die blauen Fäden verschlissen
werden (und folglich hell werden). Dies wird als Scheuern bezeichnet.
Jedoch ist es nicht erwünscht,
dass die blaue Farbe (indigo ist korrekter als blau) in die weiße Farbe
läuft.
Dieser unerwünschte
Effekt wird als Rückfärben bezeichnet.
Gemäß dem Stand
der Technik gibt es keine wirklich guten Messverfahren zur Bestimmung
dieses Effekts. Scheuern wird typischerweise als die Reflexion bei 420
nm gemessen (mit einem Reflektormeter). Unsere Vorrichtung kann
zwischen den blauen und den weißen
Fäden unterscheiden
und folglich zwischen einer Situation unterscheiden, wo das Weiß mehr Blau
wird, und einer Situation, wo das Blau mehr Weiß wird. Ein Reflektometer weist
eine Schwierigkeit beim Unterscheiden der zwei Effekte auf, aber die
beschriebene Vorrichtung kann genau dies tun. Die letzte Messung
ist ein Verschleißmuster,
bei dem es im Augenblick keine Alternative im Markt gibt. Ein Verschleißmuster
zeigt an, wie der Verschleiß über die
Textilie verteilt ist.
-
Ein drittes Beispiel für die Anwendung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß der Erfindung ist Farbhelligkeit
von Reinigungsmitteln. Heutzutage enthalten Reinigungsmittel häufig Enzyme, die
verschlissene Fasern in den Kleidern angreifen. Dieser Effekt wird
durch die Vorrichtung gemessen. Dies wird mit variierendem Erfolg
mit Reflektormetern gemäß dem Stand
der Technik versucht. Diese Verfahren versagen jedoch in einer Anzahl
von Situationen, da sie für
sehr dunkle Textilien nicht lichtgebend genug sind. Sie können nicht
mit Textilien mit viel Struktur zurechtkommen, d. h. viel Variation
in der Oberfläche
des Objekts. Z. B. ist gefunden worden, dass sie für eine solch
wichtige Sache wie Wirkware untauglich sind. Hier ist auch eine
Vorrichtung gemäß der Erfindung
nützlich.
-
Einige bevorzugte Ausführungsformen
sind in dem Vorhergehenden dargestellt worden, aber es sollte betont
werden, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist,
sondern auf andere Weisen im Gegenstand, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist,
verwirklicht werden kann. Z. B. kann die sogenannte Integrierkugel
andere geometrische Formen aufweisen als eine Kugelform; es ist
möglich,
mehr Kameras und mehr Lichtquellen zu verwenden als bloß eine einzige;
eine Schwarzweißkamera
sowie eine Farbkamera können
verwendet werden; die Kamera kann analog sowie digital sein; und
die Kamera kann vom Zeilenabtastkameratyp sein, der typischerweise
für sich
schnell bewegende Szenen vorteilhaft ist, oder vom Flächenabtastkameratyp,
der typischerweise für
statische Szenen vorteilhaft ist.