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Messungen durch Projektion

Repetitorium und neue Messfunktionen
Messungen durch Projektion

Ein Bildverarbeitungssystem wird oft zum Auffinden und späteren Vermessen von Objekten oder Objekteigenschaften verwendet. Ein auf Projektion basierender Ansatz kann das oft erreichen, vorausgesetzt, die Positionsinformationen können durch die Intensitätsverläufe der Pixel in eine gegebene Richtung (eine Kante) bestimmt werden.

Dieser Artikel beschreibt die neuen Erweiterungen des Matrox Imaging Messmoduls und enthält Beispiele zum Einsatz in verschiedenen Anwendungen. Um die Bedeutung der Erweiterungen zu verstehen ist es zuerst noch mal nötig, die Grundlagen über Messungen durch Projektion aufzufrischen.

Rückblick projektionsbasierte Messung
Projektionsbasierte Messung verwendet einen unkomplizierten Algorithmus, der robust gegenüber Lichtwechsel und unregelmäßigen Kanten, trotzdem aber extrem schnell ist. Die Grundzüge können in folgenden Schritten beschrieben werden (Bild 1):
  • 1. Ausrichten der Suchregion entlang der horizontalen Achse durch Rotation
  • 2. Projektion der Pixel Intensitäten innerhalb der Suchregion entlang der horizontalen oder vertikalen Achse zur Erzeugung eines gemittelten eindimensionalen (1D) Intensitätsprofils.
  • 3. Analyse des 1D Profil zum Auffinden einer bestimmten Anzahl von Übergängen. Eine typische Methode dafür ist z.B. das Suchen nach Spitzen in der ersten Ableitung der Projektion (also der Gradienten Spitzen), deren Werte oberhalb eines gewissen Schwellwertes liegen.
An dieser Stelle ist es bereits möglich, viele Charakteristiken der sich ergebenden Kante zu erhalten (Bild 2).
Das Messmodul kann mehr als nur eine einzelne Kante errechnen. Durch Paarung von Kanten kann das Werkzeug sogenannte Streifen finden. Ein Streifen hat zusätzliche Eigenschaften im Vergleich mit einer Kante, vor allem die Streifenbreite und die Anzahl von individuellen Kanten innerhalb des Streifens.
Das Messmodul kann die Suchregion auch automatisch drehen, um die besten Streifen und Kanten zu finden. Außerdem ist das Modul in der Lage, mehrere Kanten und Streifen innerhalb einer Suchregion zu finden. Mehrfache Kanten und Streifen haben wiederum zusätzliche Charakteristika gegenüber einzelnen Kanten und Streifen, wie den Abstand zwischen den Kanten oder Streifen.
Schließlich ist es nicht möglich, den Winkel der Kanten zu bestimmen, da die projektionsbasierte Methode nur einen Punkt aus dem 1D Profil zurück gibt. Das Messmodul umgeht diesen Nachteil jedoch durch automatisches Erzeugen mehrerer Unter-Suchfenster innerhalb des Haupt-Suchfensters, sodass der genaue Winkel einer jeden Kante gefunden werden kann.
Erweiterungen des Messmoduls
Matrox Imaging hat jüngstens verschiedene Erweiterungen bei seinem Messmodul vorgestellt. Die folgenden Abschnitte beschreiben diese Erweiterungen.
Neue Bewertungsfunktion
Eine zentrale Änderung beim Messmodul ist die Einführung von neuen einstellbaren Bewertungsfunktionen. Sie bieten die Möglichkeit, Kanten abhängig von spezifischen Charakteristiken zu gewichten und so zu selektieren. Es gibt für jede der folgenden Charakteristiken eine Gewichtungsfunktion: Stärke, Position, Abstand, Anzahl inliegender Kanten, Breite, und Radius (bei Kreisen, wie im nächsten Abschnitt besprochen).
Die Antwort (also das Aussehen) der Gewichtungsfunktion für jedes Charakteristikum wird durch vier Parameter bestimmt:
  • 1. der min. akzeptierbare Wert (Min.)
  • 2. der min. Wert der 100% erreicht (unterer Grenzwert Low),
  • 3. der max. Wert der 100% erreicht (oberer Grenzwert High),
  • 4. der max. akzeptierbare Wert (Max.).
Zusätzlich zu diesen Basiswerten kann ein fünfter Wert, Gewicht, zu jedem Charakteristikum zugeordnet werden, um ihm mehr oder weniger Bedeutung im Gesamtbild beizumessen. Je höher die Gewichtung, umso mehr wird eine gegebene Charakteristik für Ausreißer, die aber noch innerhalb des gültigen Wertebereichs liegen, herabgestuft. Ein Beispiel einer Bewertungsfunktion ist in Bild 4 dargestellt.
Das Aussehen der neuen Bewertungsfunktionen wird durch diese fünf Parameter, die auch dynamisch gesetzt werden können, flexibel. Die Bewertungsfunktionen erlauben per Charakteristik einzelne Auswahl Schwellwerte. Die einzelnen Bewertungsfunktionen werden für eine globale Bewertung durch eine Multiplikation zusammengefasst, die wie ein logischer UND Operator wirkt (Bild 5)
Neuer Kreismarker
Eine wichtige Erweiterung beim Messmodul ist der Kreismarker. Das Prinzip dahinter ist recht einfach: ein Kreis wird gefunden durch Anpassung mehrerer Kantenpositionen in radialer Anordnung innerhalb einer ringförmigen Suchregion. Genau wie bei Kanten und Streifen Markern kann der Anwender die Polarität auswählen, definiert in Richtung innerem zu äußerem Ring, einen Kantenschwellwert, um ungewollte Positionen auszufiltern, sowie den neuen maximalen Verbindungsabstand (im folgenden Abschnitt besprochen), um nur die nächstliegenden Kanten auszuwählen.
Unterstützung für Fixturing Modul
Mit der Einführung des Fixturing-Moduls war es wichtig sicherzustellen, dass das Messmodul darauf zurückgreifen kann. Durch das Fixturing, ein einfaches Lokalisierungsverfahren, kann die Suchregion beim Messen automatisch neu positioniert werden, basierend auf den Lageergebnissen anderer Module wie Model finder oder pattern matcher.
Durchweg Weltkoordinaten
Um sowohl die Positionierung als auch die Verwendung der Ergebnisse der Marker zu vereinfachen, wurde die Unterstützung von Weltkoordinaten auf das ganze Werkzeug ausgeweitet. Ein Anwender kann nun die Suchregion Parameter (Lage, Größe, Winkel) wie andere Parameter wie Abstand in Welt-Koordinaten und -Einheiten angeben, wobei Ergebnisse weiterhin sowohl in Welt- als auch Pixel-Einheiten erhalten werden können.
Maximaler Verbindungsabstand
Das Messwerkzeug verwendet mehrfache Such-Unterfenster, um den genauen Winkel einer Kante zu errechnen. Es kann jedoch vorkommen, dass diese Unterfenster mehr als nur eine mögliche Unterkante enthalten, die der Kante im Hauptsuchfenster entsprechen würde. Die richtige Unterkante ist manchmal nicht diejenige mit der höchsten Bewertung. Üblicherweise sind falsche Unterkanten weit entfernt von der richtigen Kante, die im Hauptsuchfenster gefunden wurde, und kann anhand dieses Abstandes gelöscht werden. Der maximale Verbindungsabstand macht genau das durch Entfernen von Unterkanten, die zu weit entfernt von der echten Hauptkante sind.
Suchregion anpassen
Da das Messmodul auf Projektionen innerhalb der Suchregion basiert, musste die Suchregion vollständig in das Bild passen, damit Marker gefunden werden konnten. Das ist akzeptabel, falls Position, Größe und Winkel der Marker konstant sind, aber schwierig, wenn die Winkelsuche eingeschaltet ist, weil dann die Suchregion unter bestimmten Winkeln außerhalb des Bildes liegen kann. Es wird noch schwieriger bei Kombination mit dem Fixture-Modul, bei dem Position und Winkel der Suchregion im Voraus unbekannt sind. Um diese Hürde zu überwinden, wurde ein automatisches Abschneiden der Suchregion implementiert, so dass die neu angepasste Größe ins Bild passt und der Marker gefunden werden kann.
Die Erweiterungen im praktischen Einsatz
Der nächste Abschnitt verdeutlicht die neuen Fähigkeiten des Messmoduls anhand einiger Beispiele.
Auffinden der oberen und unteren Kanten
Das folgende Beispiel zeigt, wie die äußeren Kanten in einer komplexen Szene mit mehreren Kanten gefunden werden. Zuerst wird die Bewertungsfunktion der Stärke, die standardmäßig eine Rampe darstellt, zu einer Konstanten verändert. Dann muss die Bewertungsfunktion der Position so geändert werden, dass sie die (in Suchrichtung) obere oder untere Kanten bevorzugt findet. Dazu wird eine fallende bzw. steigende Rampe als Funktion gewählt.
Auffinden des breitesten Streifens
Wird der Bewertungsfunktion für die Stärke als Konstant gesetzt und die für die Breite als steigende Rampe, wird selbst in komplexen Szenen mit mehreren Kanten der breiteste Streifen gefunden.
Auffinden des passenden Kreises
Finden und Vermessen eines Kreises innerhalb einer ringförmigen Suchregion ist eine gängige Anforderung. Mit der Radius-Bewertungsfunktion und dem maximalen Verbindungsabstand kann der passende Kreis ausgewählt werden. In diesem Beispiel ist die Stärken-Bewertungsfunktion konstant und die Radius-Bewertungsfunktion ist eine fallende Rampe, um den kleinsten Kreis zu finden. Um sicherzustellen, dass nur Kanten möglichst nahe am richtigen Kreis in die Bewertung eingehen, wird ein maximaler Verbindungsabstand angegeben.
Unvollständiger Kreis mit Rauschen
In vielen Anwendungen ist der zu suchende Kreis teilweise unterbrochen und Rauschen ist der Suchregion überlagert. Unerwünschte Positionen, die durch das Rauschen stammen, werden durch Erhöhen des Schwellwerts der Kante und Verwendung der max. Verbindungsabstand Variablen unterdrückt, so dass nur Kanten nahe des Kreises zur Bestimmung beitragen und der richtige Kreis gefunden wird.
Einschlussstelle
Ein weiteres, wichtiges Merkmal ist die Einschlussstelle, der einem Streifenmarker ermöglicht, nur dann ausgewählt zu werden, wenn dieser selbst definierte Punkt innerhalb oder außerhalb des Streifens liegt.
Matrox Imaging Dorval, Quebec, Canada www.matrox.com/imaging/de/
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