Überall dort, wo feinste topografische Abweichungen unabhängig von Material- oder Farbeigenschaften erkannt werden müssen, stoßen klassische Bildverarbeitungsverfahren oft an ihre Grenzen. Das Photometric Stereo (PS) Verfahren eröffnet hier neue Dimensionen, indem mehrere Bilder derselben Szene aus unterschiedlichen, definierten Beleuchtungsrichtungen aufgenommen werden. Aus typischerweise vier Aufnahmen lassen sich so Informationen über die lokale Oberflächentopografie ableiten, insbesondere Neigungen und Krümmungen, die unabhängig von den Reflexionseigenschaften (Albedo) der Oberfläche bewertet werden können. Damit gelingt eine klare Trennung zwischen Topografie und Textur. Durch eine optionale Integration der berechneten Neigungsdaten lässt sich zudem eine Höhenkarte der Oberfläche rekonstruieren.
Eine der größten Hürden bei der industriellen Umsetzung von Photometric Stereo (PS) liegt in der hochgenauen Synchronisation von Bilderfassung, Beleuchtung und Objektbewegung. Während die zugrunde liegenden Algorithmen in den meisten Standardbibliotheken verfügbar sind, reicht eine rein CPU-basierte Verarbeitung für viele High-End-Anwendungen nicht aus. Muss das Objekt zudem in der Bewegung erfasst werden, erhöht die notwendige Bewegungskompensation die Komplexität zusätzlich. Um die Implementierung für Anwender erheblich zu vereinfachen, bietet MSTVision spezialisierte Lösungen an: von der schnellen Bilderfassung bis hin zur effizienten Berechnung der Ergebnisbilder auf FPGA oder GPU, um die CPU des PCs maximal zu entlasten.
High-Speed-PS mit Zeilenkameras und dem MST-PSL
Für die Inspektion großer, schnell bewegter Oberflächen sind Zeilenkameras das Mittel der Wahl, da sie eine kontinuierliche und hochauflösende Erfassung ermöglichen. Beim PS-Verfahren müssen mehrere Beleuchtungsrichtungen innerhalb einer einzigen Relativbewegung erfasst werden. Dies geschieht entweder durch farbliche Trennung, z.B. über RGB-Kanäle, oder durch zeitliches Multiplexing.
Letzteres stellt enorme Anforderungen an die Hardware: Die Kamera benötigt extrem hohe Zeilenraten, während die Beleuchtung mit Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich zwischen den Richtungen umschalten muss. Genau hierfür bietet MSTVision mit der PS Line Scan Solution ein modulares System an. Kernelement ist das Photometric Stereo Line Light (MST-PSL), das vier unabhängig steuerbare Beleuchtungsrichtungen in einer vorjustierten, kompakten Einheit integriert. Mit Schaltzeiten im Submikrosekunden-Bereich ermöglicht es eine nahezu verzögerungsfreie Umschaltung zwischen den Kanälen und damit eine exakte Synchronisation mit der Zeilenkamera, auch bei hohen Bandgeschwindigkeiten. Mit einer Spitzenintensität von bis zu 6kW/m², Modullängen bis 1.700mm und einem optimierten geometrischen Setup für reproduzierbare Ausleuchtung vereint das System optische Leistung mit industrieller Skalierbarkeit für anspruchsvolle High-End-Applikationen.
Kompakte PS-Systeme auf CIS-Basis
Neben klassischen Zeilenkameras gewinnen Contact Image Sensoren (CIS) zunehmend an Bedeutung. Sie überzeugen durch ihre kompakte Bauweise und eine nahezu telezentrische 1:1-Abbildung. Dadurch lassen sie sich gut in Anwendungen mit minimalem Bauraum integrieren. Gleichzeitig bringen CIS-Systeme jedoch systembedingte Einschränkungen mit sich, wie einen sehr kurzen Arbeitsabstand und eine begrenzte Tiefenschärfe. Ein unterschätzter Aspekt vieler CIS-Systeme ist zudem das fehlende Shutter-Element: Der Sensor belichtet kontinuierlich. Im Stillstand der Anlage kann dies zur Akkumulation von Fremdlicht führen, was beim Wiederanlauf überbelichtete Zeilen verursacht. Aufgrund des internen Aufbaus aus aneinandergereihten Sensorelementen ist dieser Effekt nur schwer zu kompensieren.
Um die Vorteile beider Ansätze zu vereinen, kombiniert MSTVision CIS-Systeme mit der MST-PSL. Für den notwendigen optischen Zugang der vier Kanäle kommen dabei Long Working Distance-CIS-Varianten zum Einsatz. Den entscheidenden Performance-Sprung liefert dabei die MST-PSL: Als speziell für PS entwickelte Hochleistungs-Beleuchtungseinheit stellt sie nicht nur die erforderliche Intensität bereit, sondern ermöglicht durch ihre synchronisierte Mehrkanalsteuerung eine stabile und reproduzierbare Bildaufnahme auch bei extrem kurzen Belichtungszeiten und hohen Prozessgeschwindigkeiten. So wird die reduzierte Lichtausbeute der Long-Working-Distance-CIS-Varianten vollständig kompensiert und zugleich ein robuster und leistungsfähiger Gesamtsystemansatz geschaffen. Die Anwendungsgebiete reichen von der Inspektion von Lithium-Ionen-Batteriefolien und Brennstoffzellen-Komponenten wie Bipolarplatten und MEAs über geprägte Oberflächen in der Möbelindustrie bis hin zur Prüfung von Siegelnähten in der Verpackungstechnik. Überall dort, wo die Trennung von Topografie und Textur den entscheidenden Vorteil bringt, spielt das Verfahren seine Stärken aus.
www.mstvision.de
