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

Dominik.Mader@hs-bremen.de

Sven.Simon@informatik.hs-bremen.de

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