WO2013160243A1 - Hdr-bilder als grundlage für die effektcharakterisierung - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for characterizing at least one effect of a paint surface by means of photographic images.
- effect pigments such as metal flakes or interference pigments
- automotive refinish the characterization of a paint surface in terms of the effect impression is of particular importance.
- the surface is illuminated with a light source.
- a spectral detection is performed in the visible range.
- Color values in the CIEL * a * b * color space can be calculated from the spectral measured values thus obtained, including the standard spectral values and the reflection spectrum of the light source used, where L * is the brightness, a * the red-green value and b * den Characterize yellow-blue value.
- the published patent application DE 10 2004 034 160 A1 describes a measuring device with which both images of a paint surface can be recorded and spectral color measurements can be made.
- the present invention was therefore based, in particular, on the task of developing a method for improving the reproducibility of such characteristic values.
- Eligible characteristics for the effect properties may be texture parameters, in particular the glitter and graininess of the paint surface.
- the object according to the invention can be achieved by a method for characterizing the effect of a paint surface by means of a camera, in which the effect to be investigated is determined by evaluating an HDR image of the paint surface.
- the invention is therefore a method of the type mentioned, which is characterized in that in a first step, an exposure series of two or more images of the paint surface is recorded, the previously recorded images are offset by mathematical methods to an HDR image and from this HDR image at least one parameter is obtained, which describes at least one optical property of the paint surface.
- the present optical surface property inspection method involves forming an HDR image of a paint surface obtained by comparing a plurality of images of one exposure series with each other. For this purpose, a plurality of images of a paint surface are combined with a camera to form an exposure series and from these by the skilled person known mathematical operations generates an HDR image.
- An exposure series is to be understood below to mean a graduated series of exposures of the same image detail.
- Such an exposure series can be obtained by varying the exposure time of the camera used to detect the light reflected and scattered on the surface to be examined.
- the aperture setting of the lens of the camera and the sensitivity of the image pickup material, usually the sensor, must be kept constant.
- an exposure series can also be realized via a variation of the aperture of the lens of the camera.
- the exposure time and sensitivity of the image pickup material, usually the sensor, are kept constant.
- the exposure row can, with constant aperture of the lens of the camera and constant exposure time also via a variation of the image pickup material, usually by a variation of the sensitivity of the image sensor, can be obtained.
- Another possibility of obtaining an exposure series is to combine the aforementioned influencing parameters and to vary the exposure time and / or aperture of the lens of the camera and / or the sensitivity of the image recording material, as a rule the sensor.
- the exposure series obtained in a first step comprises at least two recordings, preferably between two and five recordings and particularly preferably three recordings.
- the number of images to be recorded by the coating surface to be examined at different exposure times is selected so that the resulting HDR image has a color depth of at least 12 bits, preferably at least 16 bits.
- the positions of the detection device for receiving the HDR images and the light source are advantageously oriented at predetermined positions with respect to the surface of the paint to be examined, which are indicated by coordinates coordinates.
- the z-axis of the coordinate system corresponds to the surface normal of the paint surface to be examined.
- the position of the detection device or the light source can then be specified by specifying the polar angle 0 and the azimuth angle ⁇ .
- angle indications are to be understood as approximate indications insofar as, for example, at an angle of 45 °, those angles are also understood which lie within a tolerance of +/- 5 °, ie. H. Angle between 40 ° and 50 °.
- the illumination by directed light simulates direct sunlight here.
- the illumination can be effected by diffused light.
- light is simulated on a cloudy day.
- characteristic values for describing effects of the paint surface are calculated in a further step. These are based on the analysis of the texture of the image and, in a preferred form, may be methods of statistical texture analysis, in a particularly preferred form those describing the graininess and / or glitter of the paint surface. On the basis of the described method characteristic values for effect characterization can be determined, which have an improved reproducibility compared with methods known from the prior art.
- the method described can be used in the field of auto repair in order to obtain data for the characterization of the paint surface to be repaired.
- the described method can be used in the quality assurance of automotive coatings.
- a camera is positioned vertically above the paint surface to be examined.
- the distance between the surface to be examined and the camera is 0.5 m.
- the exact parameters for the experimental setup can be found in Table 1.
- the number of exposures of the paint surface to be examined is chosen so that a dynamic range of 12 bits is generated. In this case 3 images with 8 bits each were evaluated. From the exposure series thus obtained, an HDR image with a dynamic range of 12 bits is generated in a manner known to those skilled in the art from the individual images, taking into account the information about the respective exposure time used. The measurement described above is repeated, with a bent piece of wire being positioned on the paint surface to be examined in order to simulate a disturbance in this case.
- the quotient K is calculated from the standard deviation and the mean value.
- the obtained quotient K can be regarded as a measure of the graininess of the surface. The results are shown in Table 1.
- a photograph of the paint surface to be examined is created with and without the bent piece of wire, wherein the exposure time of the camera is automatically determined by the camera.
- the setting is based on the brightest parts of the image. This means that instead of the three different exposure times given in Table 1, only one exposure time was used here. In the case of recording the paint surface without wire, the exposure time was 1/10 sec., In the case of taking up the paint surface with wire, the exposure time was 1/160 sec.
- Example 1 (according to the invention)
- Example 2 (comparison)
- Table 2 Test results for Examples 1 and 2.
- the calculated characteristic value K is a result of a so-called statistical texture analysis and describes, as is known to the person skilled in the art, the granularity or surface granularity.
- This parameter is used here as an example of a measure of the reproducibility of the determination of characteristic values for the evaluation of a paint surface, which were obtained from images of the paint surface. It can be clearly seen that the influence of surface defects, in this example of the metal clip, in the example according to the invention is significantly lower than in the comparative example. The reproducibility of the measurements is thus significantly improved.
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung mindestens eines Effekts einer Lackoberfläche mittels fotografischer Aufnahmen, wobei a.in einem ersten Schritt eine Belichtungsreihe von zwei oder mehr Bildern der Lackoberfläche aufgenommen wird, b. die zuvor aufgenommenen Bilder durch mathematische Verfahren zu einem HDR-Bild verrechnet werden und c. aus diesem HDR-Bild mindestens ein Parameter gewonnen wird, der mindestens eine optische Eigenschaft der Lackoberfläche beschreibt.
Description
HDR-Bilder als Grundlage für die Effektcharakterisierung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung mindestens eines Effekts einer Lackoberfläche mittels fotografischer Aufnahmen.
Stand der Technik
In jüngerer Zeit erfreuen sich vor allem solche Lackierungen großer Beliebtheit, in welchen sogenannte Effektpigmente, beispielsweise Metall-Flakes oder Interferenz- Pigmente, enthalten sind. Insbesondere im Hinblick auf Autoreparaturlackierungen ist die Charakterisierung einer Lackoberfläche in Hinblick auf den Effekteindruck von besonderer Bedeutung.
Derzeit gibt es verschiedene Ansätze zur Charakterisierung von Effekten einer Lackoberfläche. Dabei muss zwischen zwei generell verschiedenen Ansätzen unterschieden werden.
Bei einem Ansatz wird die Oberfläche mit einer Lichtquelle beleuchtet. Unter verschiedenen Winkeln wird eine spektrale Detektion im sichtbaren Bereich durchgeführt. Aus den so erhaltenen spektralen Messwerten können, unter Einbeziehung der Normspektralwerte sowie des Reflektionsspektrums der eingesetzten Lichtquelle, Farbwerte im CIEL*a*b*-Farbraum berechnet werden, wobei L* die Helligkeit, a* den Rot-Grün-Wert und b* den Gelb-Blau-Wert charakterisieren. Diese Verfahren sind für Metall-Flake enthaltende Materialien in der ASTM E2194-09 und für Interferenzpigmente enthaltende Materialien in der ASTM E2539-08 beschrieben. Der oft für die Beschreibung des Metall ic-Effekts herangezogene abgeleitete Wert ist der sogenannte Flopindex und beschreibt in erster Linie die Abhängigkeit der Helligkeit vom Beobachtungswinkel (A.B.J. Rodriguez, JOCCA, 1992 (4), S. 150-153). Die in den oben genannten Normen beschriebene Messmethodik und die in der Publikation beschriebene Auswertung erlauben zwar die Beschreibung des Effekts in Hinblick auf die Helligkeitsverteilung, aber weitergehende auf die Ortsauflösung zurückzuführende Effekte wie Glitzern
oder Körnigkeit bzw. Textur können nicht beschrieben werden. Für Definitionen der Begriffe Glitzern und Textur sei auf die ASTM E284-08 verwiesen.
Ein anderer Ansatz basiert auf der visuellen Betrachtung der Oberfläche (WO 2010/063371 A1 ) unter definierten Lichtbedingungen und Winkeln. Beschrieben ist auch die Aufnahme von Bildern, sowie im Besonderen HDR-Bildern, zu Dokumentationszwecken. Diese dienen hier ebenfalls der visuellen Begutachtung.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 034 160 A1 beschreibt ein Messgerät, mit dem sowohl Bilder einer Lackoberfläche aufgenommen, als auch spektrale Farbmessungen vorgenommen werden können.
Aufgabenstellung
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die optischen Effekt- Eigenschaften einer Lackoberfläche auf eine reproduzierbare Art und Weise zu charakterisieren. Damit die Charakterisierung nicht vom Anwender abhängt, scheiden visuelle Verfahren, bei denen eine geschulte Person die optischen Eigenschaften charakterisiert, aus und es müssen Verfahren eingesetzt werden bei denen Kennzahlen berechnet werden. Der vorliegenden Erfindung lag daher insbesondere die Aufgabenstellung zu Grunde, ein Verfahren zu entwickeln, die Reproduzierbarkeit solcher Kennwerte zu verbessern. In Frage kommende Kennwerte für die Effekt-Eigenschaften können Texturparameter sein, im Besonderen das Glitzern und die Körnigkeit der Lackoberfläche.
Lösung der Aufgabe
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zur Effekt-Charakterisierung einer Lackoberfläche mittels einer Kamera gelöst werden kann, bei dem der zu untersuchende Effekt durch Auswertung eines HDR-Bildes der Lackoberfläche ermittelt wird.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem ersten Schritt eine Belichtungsreihe von
zwei oder mehr Bildern der Lackoberfläche aufgenommen wird, die zuvor aufgenommenen Bilder durch mathematische Verfahren zu einem HDR-Bild verrechnet werden und aus diesem HDR-Bild mindestens ein Parameter gewonnen wird, der mindestens eine optische Eigenschaft der Lackoberfläche beschreibt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das vorliegende Verfahren zur Untersuchung optischer Oberflächeneigenschaften beinhaltet die Erstellung eines HDR-Bildes einer Lackoberfläche, welches erhalten wird indem mehrere Bilder einer Belichtungsreihe miteinander verrechnet werden. Dazu werden mit einer Kamera mehrere Bilder einer Lackoberfläche aufgenommen zu einer Belichtungsreihe zusammengefasst und aus diesen durch den Fachmann bekannte mathematische Operationen ein HDR-Bild erzeugt.
Unter einer Belichtungsreihe soll im Folgenden eine abgestufte Reihe von Belichtungen desselben Bildausschnitts verstanden werden.
Eine solche Belichtungsreihe kann durch Variation der Belichtungszeit der zur Detektion des an der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten und gestreuten Lichts eingesetzten Kamera erhalten werden. Die Blendeneinstellung des Objektivs der Kamera und die Empfindlichkeit des Bildaufnahmematerials, im Regelfall des Sensors, muss hierbei konstant gehalten werden.
Ebenso lässt sich eine Belichtungsreihe auch über eine Variation der Blende des Objektivs der Kamera realisieren. In diesem Fall werden die Belichtungszeit und die Empfindlichkeit des Bildaufnahmematerials, im Regelfall des Sensors, konstant gehalten.
Die Belichtungsreihe kann, bei konstanter Blendenöffnung des Objektivs der Kamera und konstanter Belichtungszeit auch über eine Variation des Bildaufnahmematerials, in der Regel durch eine Variation der Empfindlichkeit des Bildaufnahmesensors, erhalten werden.
Eine weitere Möglichkeit eine Belichtungsreihe zu erhalten ist es die oben genannten Einflussparameter zu kombinieren und Belichtungszeit und/oder Blendenöffnung des Objektivs der Kamera und/oder Empfindlichkeit des Bildaufnahmematerials, im Regelfall des Sensors, zu variieren.
Als Kriterium für die Auswahl der Belichtungsstufen kann dabei die Erfassung möglichst aller Informationen der zu untersuchenden Oberflächen gewählt werden. Sowohl sehr wenig reflektierende (z.B. schwarze) als auch sehr stark reflektierende (z.B. silberne) Oberflächen sollten mit der gleichen Konfiguration messbar sein. Die am stärksten belichtete Aufnahme muss daher so gewählt sein, dass Helligkeitsunterschiede auf wenig reflektierenden Oberflächen noch erfasst werden können, die am wenigsten belichtete Aufnahme so, dass Helligkeitsunterschiede auf stark reflektierenden Oberflächen noch erfasst werden können.
Die in einem ersten Schritt erhaltene Belichtungsreihe umfasst mindestens zwei Aufnahmen, bevorzugt zwischen zwei und fünf Aufnahmen und besonders bevorzugt drei Aufnahmen.
Aus diesen Aufnahmen und den Informationen über die jeweils korrespondierende Belichtungszeit lässt sich in einer dem Fachmann bekannten Weise ein in Bezug auf die Helligkeit höher aufgelöstes Bild, ein sogenanntes HDR-Bild erzeugen.
Die Anzahl der von der zu untersuchenden Lackoberfläche bei unterschiedlichen Belichtungszeiten aufzunehmenden Bilder wird so gewählt, dass das resultierende HDR-Bild eine Farbtiefe von mindestens 12 Bit, bevorzugt mindestens 16 Bit hat.
Die Positionen der Detektionseinrichtung zur Aufnahme der HDR-Bilder und der Lichtquelle sind vorteilhaft an vorgegebenen Positionen bezogen auf die zu untersuchende Lackoberfläche orientiert, die durch Kugel koordinaten angegebenen werden.
Die z-Achse des Koordinatensystems entspricht dabei der Flächennormalen der zu untersuchenden Lackoberfläche. Bei konstantem Abstand kann die Position der Detektionseinrichtung bzw. der Lichtquelle dann durch Angabe des Polarwinkels 0 und des Azimuthwinkels φ angegeben werden.
Durch Angabe der beiden Winkel kann damit die Ausrichtung der Lichtquelle bzw. auch der Detektionseinrichtung gegenüber der zu untersuchenden Oberfläche eindeutig charakterisiert werden. Unter dem Winkelpaar von (0=0°, φ=0°) wird dabei die Position verstanden, bei welchem sich die Lichtquelle oder Detektionseinrichtung derart über der zu untersuchenden Oberfläche befindet, dass sich die Lichtquelle oder die Detektionseinrichtung im Wesentlichen senkrecht über der zu untersuchenden Oberfläche befindet.
Es sei weiterhin angemerkt, dass sich die jeweiligen Winkelangaben insofern als ungefähre Angaben verstehen, als beispielsweise unter einem Winkel von 45° auch solche Winkel verstanden werden, welche innerhalb einer Toleranz von +/-5° liegen, d. h. Winkel zwischen 40° und 50°.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kamera in einer Position beschrieben durch die Winkel 0 = 0° und φ = 0° angebracht um perspektivische Verzeichnungen und Abschattungen zu minimieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kamera unter einem Raumwinkel von 0 = 25° und φ = 0° angebracht, um so die Abhängigkeit der entsprechenden Kennwerte vom Beobachtungswinkel zu untersuchen.
Zur Beleuchtung der Lackoberfläche kann eine gerichtete LED-Lampe verwendet werden, die sich in einer definierten Position zur Lackoberfläche befinden. Bevorzugt kann sich diese in einer Position beschrieben durch 0 = 20° und φ = 180° befinden. Die Beleuchtung durch gerichtetes Licht simuliert hier direkte Sonneneinstrahlung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Beleuchtung durch diffuses Licht erfolgen. In diesem Fall wird Licht an einem bewölkten Tag simuliert.
Aus dem zuvor berechneten HDR-Bild werden in einem weiteren Schritt Kennwerte zur Beschreibung von Effekten der Lackoberfläche berechnet. Diese beruhen auf der Analyse der Textur des Bildes und können in einer bevorzugten Form Methoden der statistischen Texturanalyse sein, in einer besonders bevorzugten Form solche, die die Körnigkeit und/oder das Glitzern der Lackoberfläche beschreiben.
Auf Grundlage des beschriebenen Verfahrens lassen sich Kennwerte zur Effekt- Charakterisierung bestimmen, die eine, verglichen mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, verbesserte Reproduzierbarkeit aufweisen.
Vorteilhaft kann das beschriebene Verfahren im Autoreparaturbereich eingesetzt werden um Daten zur Charakterisierung der zu reparierenden Lackoberfläche zu erhaltenen.
Ebenfalls vorteilhaft kann das beschriebene Verfahren in der Qualitätssicherung von Automobillackierungen eingesetzt werden.
Beispiel 1 (erfindungsgemäß)
Eine Kamera wird senkrecht über der zu untersuchenden Lackoberfläche positioniert. Der Abstand zwischen der zu untersuchenden Lackoberfläche und der Kamera beträgt 0,5 m. Die genauen Parameter für den Versuchsaufbau können der Tabelle 1 entnommen werden.
Tabelle 1 : Versuchsparameter zu den Beispielen 1 und 2.
Die Anzahl der Aufnahmen der zu untersuchenden Lackoberfläche wird so gewählt, dass ein Dynamikbereich von 12 Bit erzeugt wird. In diesem Fall wurden 3 Bilder mit jeweils 8 Bit ausgewertet. Aus der so gewonnenen Belichtungsreihe wird in einer dem Fachmann bekannten Weise aus den einzelnen Aufnahmen unter Berücksichtigung der Information über die jeweils verwendete Belichtungszeit ein HDR-Bild mit einem Dynamikumfang von 12 Bit erzeugt.
Die oben beschriebene Messung wird wiederholt, wobei zur Simulation einer Störung in diesem Fall ein gebogenes Stück Draht auf der zu untersuchenden Lackoberfläche positioniert wird.
Auf Grundlage der beiden so erhaltenen HDR-Bilder wird jeweils eine Texturanalyse durchgeführt bei der der Mittelwert der Helligkeit über alle Pixel des jeweiligen Bildes sowie die entsprechende Standardabweichung berechnet wird.
Weiterhin wird jeweils der Quotient K aus der Standardabweichung und dem Mittelwert berechnet. Der erhaltene Quotient K kann als Maß für die Körnigkeit der Oberfläche angesehen werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Beispiel 2 (Vergleich)
Der Versuchsaufbau ist analog zu Beispiel 1 .
Es wird jeweils eine Aufnahme der zu untersuchenden Lackoberfläche mit und ohne das gebogene Stück Draht erstellt, wobei sich die Belichtungszeit der Kamera automatisch durch die Kamera festgelegt wird. In diesem Fall orientiert sich die Einstellung an den jeweils hellsten Stellen des Bildes. Das bedeutet, dass anstatt den drei verschiedenen in Tabelle 1 angegebenen Belichtungszeiten hier jeweils nur eine Belichtungszeit verwendet wurde. Im Fall der Aufnahme der Lackoberfläche ohne Draht war die Belichtungszeit 1/10 s, im Fall der Aufnahme der Lackoberfläche mit Draht war die Belichtungszeit 1/160 s.
Auswertung der Beispiele
Beispiel 1 (erfindungsgemäß) Beispiel 2 (Vergleich)
Lackoberfläche Lackoberfläche
Lackoberfläche Lackoberfläche
+ Draht + Draht
Mittelwert 44,6 50,6 79, 1 5,4
Standardabweichung 10,3 15,3 16, 1 5, 1
K 0,23 0,30 0,20 0,94
Tabelle 2: Versuchsergebnisse zu den Beispielen 1 und 2.
Der berechnete Kennwert K ist ein Ergebnis einer sogenannten statistischen Texturanalyse und beschreibt, wie dem Fachmann bekannt ist, die Körnigkeit bzw. Granularität der Oberfläche.
5
Dieser Kennwert dient hier exemplarisch als Maß für die Reproduzierbarkeit der Bestimmung von Kennwerten zur Beurteilung einer Lackoberfläche, die aus Bildern der Lackoberfläche gewonnen wurden. i o Es zeigt sich deutlich, dass der Einfluss von Oberflächenstörungen, also in diesem Beispiel der Metallklammer, im erfindungsgemäßen Beispiel deutlich geringer ausfällt als bei dem Vergleichbeispiel. Die Reproduzierbarkeit der Messungen ist somit deutlich verbessert.
Claims
1 . Verfahren zur Charakterisierung mindestens eines Effekts einer
Lackoberfläche mittels fotografischer Aufnahmen, dadurch gekennzeichnet dass
a. in einem ersten Schritt eine Belichtungsreihe von zwei oder mehr Bildern der Lackoberfläche aufgenommen wird,
b. die zuvor aufgenommenen Bilder durch mathematische Verfahren zu einem HDR-Bild verrechnet werden und
c. aus diesem HDR-Bild mindestens ein Parameter gewonnen wird, der mindestens eine optische Eigenschaft der Lackoberfläche beschreibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 wobei es sich bei der optischen Eigenschaft um die Körnigkeit der Lackoberfläche handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 wobei es sich bei der optischen Eigenschaft um das Glitzern der Lackoberfläche handelt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsreihe durch unterschiedliche Belichtungszeiten der Kamera erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsreihe durch unterschiedliche Öffnungen der Blende der Kamera erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsreihe durch unterschiedliche Empfindlichkeiten des Sensors erzeugt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das in Bezug auf die Helligkeit höher aufgelöste Bild einen Dynamikumfang von mindestens 12 Bit hat.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Effekt-Charakterisierung in der Autoreparaturlackierung eingesetzt wird.
5 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Qualitätssicherung von Automobillackierungen eingesetzt wird.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass i o anstatt einer Belichtungsreihe mehrere Belichtungsreihen unter
unterschiedlichen Winkeln relativ zur Beleuchtungsquelle aufgenommen werden.
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