Embed Size (px)
Citation preview
Polychromatische Rauheitsmessung
Probleme der Bildverarbeitung
Dominik Mader
Sven Simon, Thomas Risse
Überblick
• Messverfahren & Randbedingungen• Kooperation mit Uni HB• Ziele:
– Bestimmung OZ & Rauheitsindikatoren– bei hoher Robustheit der Algorithmen,
bei guter Trennung der Rauheitsklassen, bei hoher Geschwindigkeit
• Probleme der Bildverarbeitung• Weiterführende Ansätze
Verfahren & Randbedingungen
• Messung der Oberflächenrauheit etwa von Bandstahl im 0.05um- bis 4um-Bereich
• kontinuierlich, ohne Stopp der Produktion• 500m/min• an-/isotrop rauh, glatt, gedreht, nitriert, geschliffen,
erodiert, geläppt etc.• Kalibrierung durch Rugotest-Proben,
Tastschnittgerät, Profilometer, Weißlichtinterferometrie, Raster-Mikroskopie …
• HSB: nur Bildverarbeitung
Mess-Aufbau
Entstehung des speckle-Bildes
• Flächenelemente der beleuchteten Oberfläche streuen Kugelwellen(alle Punkte tragen zu jedem Punkt der Beobachtungsebene bei.)
• Gangunterschied durch unterschiedliche Wegstrecken des Lichts
• konstruktive und destruktive Überlagerung
• Polychromatisch mehrere Effekte
rauheitsabhängige Dekorrelation der speckles
• Mit zunehmender Rauheit dekorrelieren die speckles, die durch verschiedene Wellenlängen erzeugt werden, d.h.
1) Die Intensitäten unterscheiden sich.
2) Der Ort der Maxima unterscheidet sich.
Elongation
• Das speckle-Bild besteht aus der Summe der Intensitäten.
• Die Elongation der speckles soll gemessen werden.
Elongation per AKF
• Nur zur Abschreckung
2
1 1 1
)(4
)(cos
))((cos4
1 1
)(4
)(cos
))((cos4
2122
2
22
222
2212
22
222
),(
j
N
m
N
n
kkxf
L
kknm
N
m
N
n
xkxkf
L
kknm
I
k k nmjex
nmeh
k k nmex
nmeh
eeSS
eeSSxx
Räumliche Autokorrelationsfunktion der polychromatischen speckle-Intensitäten
Rauheit
• Rq ist der quadratische Mittenrauhwert
lx
lq dxxhx
R0
2 )(1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 41
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
Abstand zur optischen Achse (x1) [mm]
norm
iert
e S
peck
le-E
long
atio
n (E
)
Rq=0.1 um
Rq=0.25 um
Rq=0.5 um
Rq=0.75 um
Rq=1 um
Rq=1.25 um
Rq=1.5 um
theoretische Elongationλ1=488 nm λ2=514 nm
Auswertung
• Optisches Zentrum nicht bekannt: Kalibrierung• Speckle-Erkennung und –Messung
– Hough-Transformation mit template– Klassische Hough-Transformation – Achsen maximaler und minimaler Trägheit
• (Auto-) Korrelation mit/ohne optische/r Achse• Rauheit bei festem Abstand zur opt. Achse
• optimiere Zuverlässigkeit, Robustheit, Geschwindigkeit,
• FPGA Implementierung
Verfahren zur OZ-Bestimmung
• global: Hough-Transformation mit template• global: klassische Hough-Transformation• lokal: Identifikation der speckles,
Bestimmung der Achsen minimaler und maximaler Trägheit, OZ = Schwerpunkt der Schnittpunkte geeigneter Achsen
• Lokale Auto-Korrelationsfunktion erzeugen Richtungsfeld, OZ = Schwerpunkt der Schnittpunkte geeigneter Richtungen
Probleme „Hough mit template“
• Binarisieren: Schwelle? adaptiv?
• geeignetes template?
• fragwürdige Robustheit!
Probleme „Hough klassisch“
• Binarisieren: Schwelle? adaptiv?• Geraden-Schnittpunkte selektieren?• OZ = gewichteter Schwerpunkt (Bresenham)• fragwürdige Robustheit!
Probleme „Achsen min. Trägheit“
• Binarisierung: Schwelle? adaptiv?
• Speckles = Zusammenhangskomponenten
• elongierte Speckles selektieren
• OZ = gewichteter Schwerpunkt der Achsen-Schnittpunkte (Bresenham)
• Fragwürdige Robustheit!
Probleme „(Auto-) Korrelation“
• Keine Binarisierung nötig!
• (Auto-)-Korrelation von Bild-Segmenten lokalisiert das speckle-Bild (Abtastung)
• Elongation spiegelt sich in Steigungen der Autokorrelationsfunktion nahe (0,0) wider.
• Wieviel Glättung ist zuträglich?
• Überlappende Rauheitsklassen!
Alternative Ansätze
• Kreuzkorrelation von Bildern verschiedener Wellenlänge
• Wavelets
• von anderen lernen (Radar, Hochfrequenz-Technik)
• Simulation
Simulationsmodell
φγ
Optische Achse
φγ
Optische Achse
Simulationsergebnis
Messbild (N6) Simulation (Rq=1000nm)
Wellenlängen [nm]: 659, 675, 690 Wellenlängen [nm]: 659, 675, 690
PC
FPGA: ProgrammierbareLogik-Gatter + Mikroprozessor
Beschleunigung
Plattformkonzept für die Auswertung • Konkreter:Prozessorarchitekturen, konfigurierbare Hardware
Eigenschaften:• Echtzeitfähigkeit zur Überwachung von Produktionsprozessen
• Produktionsumfeldgerecht: Embedded System statt PC
Hardware-Konzept
FPGA
DFG-Projekt
Computational Science
Experiment(Messtechnik)
Theorie(Optik)
Modelle, Algorithmen,Simulation,Software/Hardware
Überlappungen, die Trennung der Tätig-keiten ist nicht sinnvoll
Theoretische Arbeiten,Modellierung + Algorith-men, Messtechnik
