Sequenzielle Bildaufnahme aus mehreren Richtungen zur Rekonstruktion der Oberflächennormalen
- 4 oder mehr LED-Beleuchtungen mit bekannten Azimuten, nacheinander aktiviert, erfassen die Helligkeitsantwort je Beleuchtungsrichtung.
- Die Inversion des Lambertschen Kosinusgesetzes pro Pixel bestimmt die dreikomponentige Oberflächennormale über das gesamte Bild.
- Trennt Albedo von Topographie — liefert je Prüfzyklus eine separate 2D-Reflektanzkarte und eine 3D-Formkarte.
- Ideal für Prägungen, Dellen, Kratzer, Gewebestrukturen, kontrastarme DPM, die eine Trennung der 3D-Merkmale erfordern.
- Eine Elevation von 30–60° balanciert spekulare Störungen und Eigenabschattung auf industriellen Oberflächen aus.
- Polarisierte Varianten erforderlich bei glänzenden Prüfobjekten, um die spekulare Komponente zu unterdrücken und die Lambert-Annahme zu wahren.
Photometrisches Stereo ist ein 3D-Bildgebungsverfahren, das Oberflächennormalen rekonstruiert und Topographie von Albedo trennt, indem mehrere Bilder desselben Prüfobjekts unter verschiedenen Beleuchtungsrichtungen aufgenommen werden. Durch Ausnutzung der Abhängigkeit der Bildhelligkeit vom Winkel zwischen lokaler Oberflächennormale und Beleuchtungsrichtung extrahiert das Verfahren die dreidimensionale Orientierung jedes Pixels, ohne einen kalibrierten geometrischen Aufbau wie bei strukturiertem Licht zu benötigen. Photometrisches Stereo ist besonders leistungsfähig für die Prüfung texturierter Oberflächen, geprägter Merkmale und subtiler dreidimensionaler Defekte.
Funktionsprinzip des photometrischen Stereos
Ein System für photometrisches Stereo besteht aus vier oder mehr LED-Beleuchtungen, die in bekannten Winkeln um die Kamera angeordnet sind – typischerweise im Azimut um 90 Grad versetzt und in fester Elevation über der Prüffläche. Die Kamera ist fest montiert und betrachtet das Prüfobjekt senkrecht zu seiner Ebene. Die Beleuchtungen werden nacheinander aktiviert, wobei für jede Beleuchtung ein separates Bild unter gerichteter Beleuchtung aus einem bestimmten Azimut aufgenommen wird. Arrays für photometrisches Stereo in Industriequalität werden im Rahmen des Portfolios kundenspezifischer LED-Beleuchtungen entwickelt und häufig mit synchronisierten Multi-Azimut-LED-Ringbeleuchtungen für einen kompakten Einsatz kombiniert.
Jedes Pixel in jedem Bild hat eine Helligkeit, die von der lokalen Oberflächennormale und der Beleuchtungsrichtung abhängt und für diffuse Oberflächen dem Lambertschen Kosinusgesetz folgt. Durch Kombination der vier (oder mehr) Helligkeitswerte an jedem Pixel mit den bekannten Beleuchtungsrichtungen berechnet der Algorithmus die drei Komponenten der lokalen Oberflächennormale an jedem Punkt. Die resultierende Normalenkarte stellt die lokale Oberflächenorientierung über das gesamte Bild dar und kann zu einer Höhenkarte integriert oder direkt zur Hervorhebung dreidimensionaler Merkmale verarbeitet werden.
Trennung von Albedo und Topographie
Ein einzigartiger Vorteil des photometrischen Stereos ist die Fähigkeit, die lokale Reflektanz (Albedo) der Oberfläche von ihrer dreidimensionalen Form (Topographie) zu trennen. Der Algorithmus erzeugt an jedem Pixel zwei unabhängige Bilder: ein Albedo-Bild, das die intrinsischen Reflektanzvariationen der Oberfläche zeigt (gedruckte Markierungen, Farbmuster, Oberflächenverfärbungen), und ein Topographie-Bild, das nur die dreidimensionalen Merkmale zeigt (Prägungen, Kratzer, Dellen). Diese Trennung ist in der herkömmlichen 2D-Bildgebung unmöglich und der Hauptgrund für den Einsatz von photometrischem Stereo in vielen Anwendungen.
Typische industrielle Anwendungen
Photometrisches Stereo ist unverzichtbar für die Prüfung geprägter Merkmale auf Verpackungen, Tabletten und Strukturplatten; die Erkennung subtiler Dellen, Kratzer und Oberflächenverformungen an Karosserieteilen; die Qualitätskontrolle von Textiloberflächen, bei denen die Gewebestruktur getrennt von der Farbe analysiert werden muss; die Prüfung von Lederprodukten auf Prägungen und Oberflächenfehler; die Qualitätskontrolle von Kunststoff-Spritzgussteilen auf Fließlinien und dreidimensionale Defekte; die Verifizierung geprägter Elemente auf bedrucktem Papier und Karton; das Lesen kontrastarmer geprägter Codes auf Metall- und Kunststoffkomponenten; und jede Anwendung, bei der der dreidimensionale Aspekt der Oberfläche von ihrem zweidimensionalen Muster getrennt werden muss.
Auswahlkriterien und Konstruktionsüberlegungen
Anzahl und Anordnung der Beleuchtungen bestimmen Genauigkeit und Robustheit der Schätzung der Oberflächennormalen. Vier Beleuchtungen im Azimutabstand von 90 Grad stellen die Mindestkonfiguration dar und bieten eine angemessene Leistung für allgemeine Anwendungen. Acht Beleuchtungen im Abstand von 45 Grad bieten eine bessere Robustheit gegenüber Schatten und Sättigungseffekten auf komplexen Oberflächen. Höhere Anzahlen nähern sich einer kontinuierlichen Winkelverteilung und liefern die höchste Genauigkeit, auf Kosten längerer Aufnahmezyklen.
Der Elevationswinkel der Beleuchtungen ist der zweite Konstruktionsparameter. Eine steile Elevation (nahe der Senkrechten) erzeugt starke spekulare Reflexionen auf glänzenden Oberflächen, die der Lambert-Annahme widersprechen. Eine flache Elevation (nahe dem streifenden Einfall) erzeugt starke Schatten, die Teile des Bildes verdecken. Optimale Elevationswinkel liegen typischerweise zwischen 30 und 60 Grad zur Oberflächenebene.
Synchronisation und Aufnahmezeit
Jeder Zyklus des photometrischen Stereos erfordert N sequenzielle Bilder (wobei N die Anzahl der Beleuchtungen ist), was die gesamte Aufnahmezeit gegenüber einem Einzelaufnahmesystem um den Faktor N verlängert. Für die Prüfung bei hohen Geschwindigkeiten müssen LED-Umschaltung und Kameraauslösung präzise synchronisiert sein, damit jedes Bild genau einer aktiven Beleuchtung entspricht. Die erforderliche Mehrkanal-Synchronisation liefert der RODER-Katalog für LED-Treiber und elektronische Controller.
Integration und Grenzen
Systeme für photometrisches Stereo werden als Leuchten mit mehreren Beleuchtungen und synchronisierten Treibern integriert, typischerweise als eine Einheit, die das LED-Array und die Kamera-Triggerlogik umfasst. Die Ausgabe des Systems kann der rohe Bildstapel sein (zur Analyse durch die Anwendungssoftware) oder vorverarbeitete Albedo-, Topographie- und Normalenkarten.
Die wesentliche Einschränkung des photometrischen Stereos ist seine Abhängigkeit von der Lambert-Annahme, die für matte und halbmatte Oberflächen gut gilt, bei stark spekularen Prüfobjekten jedoch versagt. Auf glänzenden Oberflächen führen die hellen spekularen Reflexionen zu Fehlern in der Normalenschätzung und können die Rekonstruktion beeinträchtigen. Polarisation kann eingesetzt werden, um die spekulare Komponente zu unterdrücken und das diffuse Signal zurückzugewinnen, auf Kosten eines Helligkeitsverlusts.
Die zweite Einschränkung ist die längere Aufnahmezeit im Vergleich zur Einzelaufnahme, was die maximale Produktionsgeschwindigkeit begrenzt. Für Hochgeschwindigkeitslinien können Mehrkamera-Konfigurationen mit gleichzeitiger Aufnahme unter verschiedenen Beleuchtungen erforderlich sein, was Kosten und Komplexität des Systems erhöht.
LED-Arrays für photometrisches Stereo von RODER Vision
RODER Vision entwickelt anwendungsspezifische LED-Arrays für photometrisches Stereo mit synchronisierten Mehrkanal-Treibern für die industrielle Bildverarbeitungsprüfung, die eine Rekonstruktion der Oberflächennormalen und eine Trennung von Albedo und Topographie erfordert.
- Anwendungsspezifische Arrays für photometrisches Stereo mit 4, 8 oder 16 Richtungen — Kundenspezifische LED-Beleuchtungen
- Multi-Azimut-Ringkonfigurationen für den kompakten Einsatz von photometrischem Stereo — LED-Ringbeleuchtungen
- Mehrkanalige synchronisierte Treiber mit Mikrosekunden-Umschaltung für die sequenzielle Aufnahme — LED-Treiber und elektronische Controller
Installationen für photometrisches Stereo erfordern eine abgeschirmte Mehrkanalverkabelung — der RODER-Katalog umfasst Kabel und Befestigungssysteme in Industriequalität, die für synchronisierte Installationen mit mehreren Beleuchtungen entwickelt wurden.