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Dokumentenidentifikation DE102004062462A1 03.05.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Positionierung einer Beleuchtungseinheit und einer Kamera bei Bildverarbeitungssystemen
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70327 Stuttgart, DE
Erfinder Ellenrieder, Marc Michael, Dipl.-Ing., 89134 Blaustein, DE;
d'Angelo, Pablo, Dipl.-Ing., 89073 Ulm, DE;
Wöhler, Christian, Dr., 72535 Heroldstatt, DE
DE-Anmeldedatum 20.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004062462
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse G03B 15/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 11/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Positionierung einer Beleuchtungseinheit (3) und einer Kameraeinheit (2) sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Sichtbarkeitskarte zum Einsatz bei einem derartigen Verfahren bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Objektaufnahmeeinheit, eine Kamera (2) und eine Beleuchtungseinheit (3), welche in Bezug auf das zu inspizierende Objekt (4) in unterschiedlichen Winkelpositionen orientierbar sind. Mittels einer Auswerteeinheit, welche mit der Kamera (2) und der Beleuchtungseinheit (3) in Verbindung steht, werden für einzelne Winkelpositionen Einträge in einer Sichtbarkeitskarte erzeugt. Das Verfahren bestimmt eine optimale Beleuchtungsposition in Bezug auf eine bestimmte Kameraposition anhand einer Sichtbarkeitskarte des zu inspizierenden Objekts (4). In der Sichtbarkeitskarte sind zusätzlich zu den Sichtbarkeitsinformationen weitere Informationen über die Abschattung des zu inspizierenden Objekts (4) enthalten. Anhand der Sichtbarkeitskarte wird sodann ein geeigneter Raumbereich für eine Beleuchtungsposition ausgewählt. Durch eine Optimierung der Beleuchtungsposition in Bezug auf die Kameraposition wird die Aufnahmesituation des Bildverarbeitungssystems erheblich verbessert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vollautomatischen Positionierung einer Beleuchtungseinheit und einer Kamera bei Bildverarbeitungssystemen sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Sichtbarkeitskarte zum Einsatz bei einem derartigen Verfahren.

Bei der Bildverarbeitung sind häufig definierte Beleuchtungssituationen gewünscht, welche sich im Zusammenhang mit den eingesetzten Bildverarbeitungsalgorithmen besonders eignen. Beispielsweise sind Punktlichtquellen bekannt, welche sich besonders bei einer Oberflächenrekonstruktion mittels "Shape from X" (X = Shading, Shadow, Polarisation, usw.) eignen. Auch sind diffuse Beleuchtungseinrichtungen, z.B. in Kugelform, bekannt, bei denen keine Abschattung des Hintergrunds aufgrund von Selbstbeschattung stattfindet. Beim Einsatz diffuser Beleuchtungseinrichtungen hebt sich ein zu inspizierendes Objekt beispielsweise besonders vorteilhaft vom Hintergrund ab. Die Wahl der geeigneten Beleuchtungsart sowie die Wahl der geeigneten Relativpositionen von Kamera, Beleuchtungseinrichtung und zu inspizierendem Objekt erweist sich in der Praxis häufig als schwierig. Besonders schwierig zu beleuchten sind beispielsweise Objekte mit einer komplexen Oberflächengeometrie. Zudem weisen unterschiedliche Materialien unterschiedliche Reflexionseigenschaften auf, was das Auffinden einer geeigneten Beleuchtungsposition zusätzlich erschwert. Ob eine Beleuchtungsposition geeignet ist, hängt dabei auch von der gewählten Kameraposition ab, wobei beispielsweise die Kamera und die Beleuchtung in einer festen geometrischen Beziehung zueinander auf einem Sensorkopf angeordnet sein können oder unabhängig voneinander positioniert werden. Üblicherweise werden Beleuchtungseinrichtungen in aufwendiger Weise händisch durch einen Fachmann positioniert, wobei z.B. stark vereinfachende Annahmen über die Oberflächengeometrie getroffen werden oder beispielsweise im Rahmen der Positionierung der Beleuchtungseinrichtung in aufwendiger Weise eine Mittelwertbildung von unterschiedlichen Beleuchtungssituationen herangezogen wird. Eine systematische Positionierung anhand von tatsächlich gemessenen Referenzwerten und unter Berücksichtigung einer festen Kamera/Beleuchtungs-Geometrie findet dabei nicht statt.

In der Veröffentlichung "Feature and Viewpoint Selection for Industrial Car Assembly, Stößel et. al., 26th DAGM Symposium, Tübingen, Germany, August/September 2004. Proceedings, volume 3175 of Lecture Notes in Computer Science, pages 528–535, Heidelberg, Germany, 2004. Springer-Verlag", wird ein Verfahren zur Erzeugung von Sichtbarkeitskarten aufgezeigt. Sichtbarkeitskarten ermöglichen eine Bestimmung der Sichtbarkeit einzelner Objektpunkte bei einer bestimmten Blickrichtung. Es wird zu einer bestimmten Blickrichtung jeweils eine Sichtbarkeitskarte erzeugt, worin sichtbare Raumbereiche definiert sind. Darüber hinaus ist eine Erweiterung der Sichtbarkeitskarten auf flächige und volumenartige Oberflächenelemente möglich. In der Veröffentlichung wird zudem der Einsatz einer Sichtbarkeitskarte bei der Ermittlung einer optimalen Kameraposition bei Bildaufnahmen beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur vollautomatischen Positionierung einer Beleuchtungs- und einer Kameraeinrichtung bei Bildverarbeitungssystemen bereitzustellen, womit die Aufnahmesituation weiter verbessert wird. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Sichtbarkeitskarte zum Einsatz bei einem derartigen Verfahren bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Gemäß der Erfindung werden ein Verfahren für die vollautomatische Positionierung einer Beleuchtungseinrichtung und einer Kameraeinrichtung bei Bildverarbeitungssystemen, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Sichtbarkeitskarte zum Einsatz bei einem derartigen Verfahren bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst dabei in einer erfinderischen Weise eine Objektaufnahmeeinheit zur Aufnahme von zu inspizierenden Objekten. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kamera sowie eine Beleuchtungseinheit, welche unter einem festen geometrischen Verhältnis zueinander in Bezug auf ein zu inspizierendes Objekt in unterschiedlichen Winkelpositionen orientierbar sind. Zusätzlich ist eine Auswerteeinheit vorhanden, welche mit der Kamera und der Beleuchtungseinheit in Verbindung steht und welche für die einzelnen Winkelpositionen Einträge für wenigstens eine Sichtbarkeitskarte erzeugen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf eine erfinderische Weise eine optimale Beleuchtungsposition in Bezug auf die Kameraposition anhand einer Sichtbarkeitskarte von zu inspizierenden Objekten/Merkmalen bestimmt. In einer besonders gewinnbringenden Weise sind dabei in der Sichtbarkeitskarte zu den reinen Sichtbarkeitsinformationen zusätzliche Informationen über die Abschattung des zu inspizierenden Objekts/Merkmals enthalten. Anhand der Sichtbarkeitskarte werden sodann geeignete Raumbereiche ausgewählt, welche zur Bestimmung der optimalen Beleuchtungsposition herangezogen werden. Durch eine Optimierung der Position der Beleuchtungseinheit in Bezug auf die Kameraposition wird die Aufnahmesituation des Bildverarbeitungssystems erheblich verbessert, wobei auf eine erfinderische Weise eine Sichtbarkeitskarte bei der Positionierung der Beleuchtungseinheit einbezogen wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die optimale Beleuchtungsposition in Bezug auf die Kameraposition in der Sichtbarkeitskarte innerhalb eines geeigneten Raumbereichs, welcher eine maximale Distanz zwischen Beleuchtungsposition und Übergangsbereichen von sichtbaren und nichtsichtbaren bzw. beschatteten Bereichen aufweist. Dadurch werden Objekte bzw. Objektmerkmale in vorteilhafter Weise möglichst gleichmäßig beleuchtet, wodurch die Qualität von Bildaufnahmen und damit auch die Auswertung der Bildaufnahmen deutlich verbessert wird. Ein geeigneter Raumbereich ist hierbei ein Bereich worin das oder die zu inspizierende(n) Objekt(e) oder Objektmerkmal(e) sichtbar sind und nicht verdeckt bzw. beschattet sind. Die Darstellung in Sichtbarkeitskarten erfolgt dabei vorzugsweise in einer 2D-Darttellung wobei z.B. der Elevationswinkel (0° bis +180°) über dem Azimutwinkel (0° bis 360°) aufgetragen ist.

Vorzugsweise wird hierbei eine Binärdarstellung gewählt, wobei sichtbare Bereiche beispielsweise in weißer Farbe und beschattete bzw. nichtsichtbare Bereiche in schwarzer Farbe dargestellt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit andere Darstellungsformen zu verwenden.

In einer weiteren vorteilhaften Weise werden im Zusammenhang mit der Erfindung mehrere Sichtbarkeitskarten mit jeweils unterschiedlicher Kamera-Beleuchtungs-Objekt-Geometrie zur Bestimmung der optimalen Beleuchtungsposition herangezogen. Unterschiedliche Geometrien werden dadurch realisiert, indem beispielsweise die Beleuchtungseinheit und die Kamera fest miteinander verbunden sind und diese in Bezug auf ein fest angeordnetes, zu inspizierendes, Objekt ihre Winkelorientierung ändern. Gleichsam ist es aber auch möglich, dass die Beleuchtungseinheit und die Kamera fest angeordnet sind, wobei sodann das zu inspizierende Objekt in seiner Winkelorientierung verändert wird. Eine weitere alternative sieht vor, dass bei einem fest angeordneten zu inspizierenden Objekt entweder die Beleuchtungseinheit in Bezug auf die Kamera oder aber die Kamera in Bezug auf die Beleuchtungseinheit in deren Winkelorientierung verändert wird. Dabei wird für jede individuelle Kamera/Beleuchtungs-Geometrie zunächst eine Sichtbarkeitskarte bestimmt. Anschließend werden diese Sichtbarkeitskarten einander überlagert und sodann deren Schnittmenge ausgewertet. Eine optimale Beleuchtungsposition wird hierbei bestimmt, indem zunächst anhand der Schnittmenge mehrerer sichtbarer Bereiche ein Sichtbereich gebildet wird und anhand der Vereinigungsmenge mehrerer nichtsichtbarer bzw. beschatteter Bereiche ein Verdeckungsbereich gebildet wird. Innerhalb des Sichtbereichs wird schließlich eine Beleuchtungsposition gewählt, bei welcher sich eine maximale Distanz zwischen der Position der Beleuchtungseinheit und Übergangsbereichen von Sichtbereichen und Verdeckungsbereichen ergibt. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist es dabei nicht immer notwendig eine vollständige Sichtbarkeitskarte im Bereich von 0° bis 360° zu generieren. Häufig reicht die Erzeugung von Sichtbarkeitskartenausschnitten mit kleineren Winkelbereichen bei der Lösung einer spezifischen Bilderverarbeitungsaufgabe aus. Auf diese Weise lässt sich in besonders vorteilhafter Weise der Aufwand bei der Informationsverarbeitung und somit die benötigte Rechenzeit reduzieren.

In einer gewinnbringenden Weise der Erfindung wird die maximale Distanz zwischen Beleuchtungspositionen und Übergangsbereichen in Sichtbarkeitskarten durch ein Distanzmaß aufgrund einer Distanztransformation, insbesondere einer Haversine-Funktion gebildet. Da es sich bei der Sichtbarkeitskarte um eine Zylinderprojektion handelt, wird hierbei nicht der euklidische Abstand in der Sichtbarkeitskarte bestimmt, sondern mit Hilfe der Haversine-Funktion und bekannten mathematischen Methoden der Abstand auf der Kugel bestimmt.

In einer besonders vorteilhaften Weise werden Oberflächenreflektanzwerte von zu inspizierenden Objekten/Merkmalen bei der Ermittlung geeigneter Raumbereiche anhand der Sichtbarkeitskarte(n) herangezogen. Hierzu werden zusätzlich zu Sichtbarkeitsinformationen die Oberflächenreflektanzwerte auf die Sichtbarkeitskarte abgebildet. Bei der Abbildung von Oberflächenreflektanzwerten wird zu jeder Blickrichtung ein Reflexionswert auf der Oberfläche des zu inspizierenden Objekts zugeordnet. Hierbei werden jeweils der Winkel zwischen Beleuchtungseinrichtung und Kamera, sowie der Winkel zwischen Beleuchtungseinrichtung und der Oberflächennormalen des zu inspizierenden Objekts in Abhängigkeit von der Blickrichtung bestimmt. Die der jeweiligen Blickrichtung zugehörigen Oberflächenreflektanzwerte werden sodann zusätzlich zu den Sichtbarkeitswerten in der Sichtbarkeitskarte eingetragen. Zur Bestimmung einer optimalen Beleuchtungsposition werden sodann innerhalb des/der mittels der Sichtbarkeitskarte zuvor bestimmten und als geeignet befundenen Raumbereich(e) zusätzlich die Oberflächenreflektanzwerte herangezogen, wobei ein für die jeweilige Bildverarbeitungsanwendung erforderlicher Mindestreflektanzwert anhand eines Reflektanzschwellwerts fest vorbestimmt ist. Der Reflektanzschwellwert kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit der Anwendung vom Benutzer fest vorgegeben sein, oder beispielsweise aufgrund weiterer Vorgaben, wie z.B. geometrische Eigenschaften automatisch mittels eines adaptiven Reflektanzschwellwert bestimmt werden. Der Reflektanzschwellwert teilt dabei die Oberflächenreflektanzwerte in zwei Bereiche ein, einen mit ausreichender und einen mit nicht ausreichender Reflektanz. Geeignete Beleuchtungspositionen befinden sich dabei innerhalb von Raumbereichen mit ausreichender Reflektanz. Unterschiedliche Reflektanzwerte auf Objektoberflächen von zu inspizierenden Objekten/Merkmalen ergeben sich dabei nicht nur aufgrund der Änderung der Winkelorientierung oder des Abstandes von Kamera und Beleuchtung, sondern auch Anhand von Kameraparametern welche Randbedingungen für die Kameraaufnahmen bilden. Beispielsweise zählen hierzu die Verschlusszeit der Kamera oder die Öffnung der Kamerablende.

In einer weiteren gewinnbringenden Weise der Erfindung werden zur Bestimmung der Beleuchtungsposition weitere Kriterien herangezogen, welche nicht von der Richtung, sondern vom Abstand zum zu inspizierenden Objekt/Merkmal abhängig sind. Je weiter z.B. die Beleuchtungsposition von zu inspizierenden Objekten entfernt ist, umso gleichmäßiger werden diese beleuchtet. Jedoch erfordern die meisten Bildverarbeitungsanwendungen eine bestimmte Mindestbeleuchtungsstärke. Deshalb hat es sich im Zusammenhang mit der Erfindung besonders bewährt, die maximal zulässige Distanz zwischen Beleuchtungsposition und zu inspizierendem Objekt/Merkmal zu ermitteln, wobei die optische Leistungsdichte auf der Objekt-/Merkmaloberfläche ausgewertet wird. Ein weiteres besonders vorteilhaftes Kriterium, welches zur Bestimmung einer optimalen Beleuchtungsposition herangezogen wird, ist dasjenige wonach eine reale geometrische Eignung von Raumbereichen bei der Ermittlung geeigneter Raumbereiche anhand der Sichtbarkeitskarte(n) berücksichtigt wird. Beispielsweise zählen hierzu die Größe des jeweiligen Raumbereichs oder die Erreichbarkeit durch den Beleuchtungshalter. Hierbei kann die Beleuchtungseinheit innerhalb einem mittels Sichtbarkeitskarten bestimmten und geeigneten Raumbereich solange verschoben werden, bis im Idealfall alle weiteren Kriterien ebenfalls erfüllt sind.

In einer besonders gewinnbringenden Weise umfasst die Objektaufnahmeeinheit zur Winkelorientierung des zu inspizierenden Objekts wenigstens ein Goniometer. Goniometer sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt, weshalb an dieser Stelle auf deren Aufbau nicht detailliert eingegangen wird. Mittels eines Goniometers werden bei gegebener gegenseitiger Anordnung von Kamera und Beleuchtungseinheit die Reflexionseigenschaften der Oberfläche eines zu inspizierenden Objekts in Abhängigkeit vom Orientierungswinkel der Beleuchtung gemessen. Bei bekannter Beleuchtungsstärke und bekannter Empfindlichkeit des Kamerasensors im entsprechenden Wellenlängenbereich lassen sich darüber hinaus die Reflexionseigenschaften nicht nur in relativer Form, sondern auch als absolut kalibrierte Messwerte in der Form von photometrischen Strahlungsgrößen darstellen. Dadurch wird es in einer gewinnbringenden Weise über eine vollautomatische Kamera- und Beleuchtungspositionierung hinaus möglich, eine geeignete Verschlusszeit der Kamera sowie eine geeignete Öffnung der Kamerablende zu bestimmen. Dies ist deshalb von großer Bedeutung, da die Öffnungsblende in manchen Fällen nur in einem bestimmten Bereich wählbar ist, beispielsweise aufgrund der Eigenschaften des eingesetzten Objektivs oder um eine erforderliche Tiefenschärfe zu erreichen. Die mittels dem Goniometer gemessene Reflexionscharakteristik kann dabei direkt in der Form von Messwerten gemeinsam mit den Werten der Sichtbarkeitskarte hinterlegt sein, oder aber alternativ können die Reflexionseigenschaften auch in analytischer Form vorliegen, wobei ein geeignetes physikalisches oder Ad-hoc-Modell, z.B. ein Polynomansatz, an die Sichtbarkeitskarte angepasst wird. Derartige Ansätze werden beispielsweise in "Nayar, S.K., Ikeuchi, K., and Kanade, T. 1991. Surface Reflection: Physical and Geometrical Perspectives. IEEE Trans. on PAMI, Vol. 13, pp. 611–634" gezeigt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in gewinnbringender Weise derart ausgebildet, dass Oberflächenreflektanzwerte eines zu inspizierenden Objekts erfasst und ausgewertet werden können, wobei die Oberflächenreflektanzwerte in Sichtbarkeitskarten hinterlegt werden können. Die Erfassung der Oberflächenreflektanzwerte erfolgt hierbei mittels eines geeigneten Bildsensors, z.B. einer CCD-Kamera. Bei der Auswertung von Oberflächenreflektanzwerten werden sodann z.B. Helligkeits- und/oder Kontrastwerte des jeweiligen erfassten Objekts/Merkmals bestimmt. Diese Helligkeits- und/oder Kontrastwerte werden anschließend unter Beachtung des dazugehörigen Orientierungswinkels hinsichtlich der Beleuchtung positionsrichtig in der Sichtbarkeitskarte hinterlegt. Dazu umfasst die Vorrichtung eine geeignete Speichereinheit, welche mit der Auswerteeinheit in Verbindung steht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:

1 eine Bildaufnahme eines Befestigungsflansches mit Sichtbarkeitskarte sowie dazugehöriger Einheitskugel

2 die geometrischen Verhältnisse bei der Vermessung von Oberflächenreflektanzwerten

3 einen Befestigungsflansch mit zu inspizierenden Objektflächen

4 eine Überlagerung mehrerer Sichtbarkeitskarten am Beispiel von Merkmalen eines Befestigungsflansches

In der 1 wird die Bildaufnahme eines Befestigungsflansches (10) mit einer Sichtbarkeitskarte (7) sowie dazugehöriger Einheitskugel (8) gezeigt. Bei dem Befestigungsflansch (10) handelt es sich um ein metallisches Bauteil, wie es am Getriebe bei modernen Fahrzeugen verbaut wird. Am rechten vorderen Schenkel des Befestigungsflansches (10) ist das Koordinatensystem (9) der Sichtbarkeitskarte eingezeichnet. Anhand der Sichtbarkeitskarte (7) wird die Sichtbarkeit eines hier nicht sichtbaren Merkmals (4) des Befestigungsflansches (10) aufgezeigt. Wobei sich das Merkmal (4) genau im Schnittbereich der an der Einheitskugel (8) eingezeichneten Achsen von Blickrichtungen (A bis D), also im Zentrum der Kugel, befindet. Hierbei sind beispielhaft Blickrichtungen im Sichtbereich (A, D) sowie Blickrichtungen im Verdeckungsbereich (B, C) eingezeichnet. Blickrichtungen im Verdeckungsbereich sind auf der Einheitskugel (8) schwarz dargestellt und Blickrichtungen im Sichtbereich sind weiß dargestellt. Die dazugehörige Sichtbarkeitskarte (7) ist in der rechten Bildhälfte dargestellt, wobei ein Azimutwinkel von 0°–360° und ein Elevationswinkel im Bereich von 0° bis 180° gewählt wurde und daher mit der Sichtbarkeitskarte (7) der komplette Bereich des Raumbereichs um das Merkmal (4) herum abgedeckt ist. Analog zur Darstellung auf der Einheitskugel (8) sind in der Sichtbarkeitskarte (7) Raumbereiche im Sichtbereich weiß und Raumbereiche im Verdeckungsbereich schwarz eingezeichnet. Demnach wäre im Zusammenhang mit einer Inspektion des hier nicht gezeigten Merkmals (4) eine Positionierung der Beleuchtung unter den Blickrichtungen (B, C), sowie unter den übrigen Blickrichtungen im Verdeckungsbereich, innerhalb des schwarzen Gebiets in der Sichtbarkeitskarte (7), nicht geeignet.

2 beschreibt die geometrischen Verhältnisse wie sie bei einer derartigen Vermessung eines Objektes (4) zur Gewinnung dessen Oberflächenreflektanzwerte vorliegen. Der Winkel zwischen der Beleuchtungsrichtung s und der Kamerablickrichtung &ngr; wird hierbei in der einschlägigen Literatur als Phasenwinkel &agr; bezeichnet. Beispielsweise mittels eines Goniometers kann das zu untersuchende Objekt (4) um zwei zueinander orthogonale Achsen um die einstellbaren Winkel &thgr; und ϕ gedreht werden, wobei das Objekt (4) mittels einer hier nicht gezeigten Objektaufnahmeeinheit (1) gehalten wird. Hierbei wird das Goniometer so angeordnet, dass die Oberflächennormale n (0, 0) der Probe in Nullstellung (&thgr; = ϕ = 0)

in derselben Ebene liegt wie die Vektoren s und &ngr; . Aus den als bekannt angenommenen Positionen von Beleuchtung 3 und Kamera 2 relativ zum Objekt 4 lassen sich für jede am Goniometer eingestellte Winkelkonfiguration (&thgr;, ϕ) der Lichteinfallswinkel &thgr;i (Winkel zwischen n (&thgr;, ϕ) und s ), der Emissionswinkel &thgr;e (Winkel zwischen n (&thgr;, ϕ) und &ngr; ) und der Azimutwinkel &psgr; (der Winkel zwischen den beiden Vektoren s ' und &ngr; ', die sich durch die Projektion von s und &ngr; auf die durch n (&thgr;, ϕ) beschriebene Ebene ergeben) bestimmen. Aufgrund von Symmetrieeigenschaften, die für fast alle gängigen Metalloberflächen gültig sind, lassen sich die Reflexionseigenschaften sodann vollständig in Abhängigkeit von den Winkeln &thgr;i, &thgr;e, &psgr; und &agr; beschreiben, wobei der Winkel &psgr; gemäß folgender Gleichung von den Winkeln &thgr;i, &thgr;e und &agr; abhängt:

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Reflektionscharakteristik eines Objektes (4) direkt aus den mit dem hier beschriebenen Messverfahren erzeugten Messwerten entnommen werden.

In der 3 wird beispielhaft ein Befestigungsflansch (10) mit zu inspizierenden Objektflächen, insbesondere die Bohrungen des Befestigungsflansches, gezeigt. Diese Objektflächen sind jeweils durch ein umgebendes Viereck begrenzt. Bei der Bestimmung einer geeigneten Beleuchtungsposition mittels Sichtbarkeitskarten werden beispielsweise lediglich die vier Eckpositionen eins umgebenden Vierecks mit einer hier nicht gezeigten Auswerteeinheit ausgewertet, wobei jede Eckposition sodann ein Objekt/Merkmal (4a4d) darstellt. Zu jedem dieser Merkmale (4a4d) wird anschließend eine Sichtbarkeitskarte erzeugt.

In der 4 wird die Überlagerung mehrerer Sichtbarkeitskarten (7) am Beispiel der Merkmale (4) aus der 3 gezeigt. Dabei sind beispielsweise in den Bereichen (E) drei Merkmale sichtbar und eines verdeckt. Im Bereich (F) sind zwei Merkmale sichtbar und zwei verdeckt. Im Verdeckungsbereich (G) sind keine Merkmale (4) sichtbar, in den Bereichen (H) sind jeweils zwei Merkmale sichtbar und zwei verdeckt. Ausschließlich im Sichtbereich (J) sind alle Merkmale (4) sichtbar, daher ist dieser Bereich zur Beleuchtungspositionierung geeignet.

1
Objektaufnahmeeinheit
2
Kamera
3
Beleuchtungseinheit
4
Objekt/Merkmal
5
Auswerteeinheit
6
Goniometer
7
Sichtbarkeitskarte
8
Einheitskugel
9
Koordinatensystem der Sichtbarkeitskarte
10
Befestigungsflansch
A, D
Blickrichtung im Sichtbereich
B, C
Blickrichtung im Verdeckungsbereich
E, F, H
Bereiche mit teilweiser Verdeckung
G
Verdeckungsbereich in Sichtbarkeitskarten
J
Sichtbereich in Sichtbarkeitskarten


Anspruch[de]
Verfahren für die vollautomatische Positionierung einer Beleuchtungseinheit (3) und einer Kamera (2) bei Bildverarbeitungssystemen,

bei welchem eine optimale Beleuchtungsposition in Bezug auf die Kameraposition anhand einer Sichtbarkeitskarte (7) von zu inspizierenden Objekten/Merkmalen (4) bestimmt wird,

wobei in der Sichtbarkeitskarte (7) zu den reinen Sichtbarkeitsinformationen zusätzliche Informationen über die Abschattung des zu inspizierenden Objekts/Merkmals (4) enthalten sind,

und wobei anhand der Sichtbarkeitskarte (7) geeignete Raumbereiche ausgewählt werden, welche zur Bestimmung der optimalen Beleuchtungsposition herangezogen werden.
Verfahren für die vollautomatische Positionierung einer Beleuchtungseinheit (3) und einer Kamera (2) bei Bildverarbeitungssystemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die optimale Beleuchtungsposition in Bezug auf die Kameraposition in der Sichtbarkeitskarte (7) innerhalb eines geeigneten Raumbereichs befindet, welcher eine maximale Distanz zwischen Beleuchtungsposition und Übergangsbereichen von sichtbaren und nichtsichtbaren bzw. beschatteten Bereichen aufweist. Verfahren für die vollautomatische Positionierung einer Beleuchtungseinheit (3) und einer Kamera (2) bei Bildverarbeitungssystemen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass mehrere Sichtbarkeitskarten (7) mit jeweils unterschiedlicher Kamera-Beleuchtungs-Objekt-Geometrie zur Bestimmung der optimalen Beleuchtungsposition herangezogen werden,

wobei eine optimale Beleuchtungsposition bestimmt wird, indem anhand der Schnittmenge mehrerer sichtbarer Bereiche ein Sichtbereich (J) gebildet wird,

sowie anhand der Vereinigungsmenge mehrerer nichtsichtbarer bzw. beschatteter Bereiche ein Verdeckungsbereich (G) gebildet wird,

und wobei sodann innerhalb des Sichtbereichs (J) eine Beleuchtungsposition gewählt wird, bei welcher sich eine maximale Distanz zwischen der Beleuchtungsposition und Übergangsbereichen von Sichtbereichen und Verdeckungsbereichen ergibt.
Verfahren für die vollautomatische Positionierung einer Beleuchtungseinheit (3) und einer Kamera (2) bei Bildverarbeitungssystemen nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Distanz zwischen Beleuchtungspositionen und Übergangsbereichen in Sichtbarkeitskarten (7) durch ein Distanzmaß aufgrund einer Distanztransformation, insbesondere einer Haversine-Funktion, gebildet wird. Verfahren für die vollautomatische Positionierung einer Beleuchtungseinheit (3) und einer Kamera (2) bei Bildverarbeitungssystemen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächenreflektanzwerte von zu inspizierenden Objekten/Merkmalen (4) bei der Ermittlung geeigneter Raumbereiche anhand der Sichtbarkeitskarte(n) (7) herangezogen werden, wobei zusätzlich zur Sichtbarkeitsinformation die Oberflächenreflektanzwerte auf die Sichtbarkeitskarte (7) abgebildet werden. Verfahren für die vollautomatische Positionierung einer Beleuchtungseinheit (3) und einer Kamera (2) bei Bildverarbeitungssystemen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige Distanz zwischen Beleuchtungsposition und zu inspizierendem Objekt/Merkmal (4) ermittelt wird, wobei die optische Leistungsdichte auf der Objekt-/Merkmaloberfläche ausgewertet wird. Verfahren für die vollautomatische Positionierung einer Beleuchtungseinheit (3) und einer Kamera (2) bei Bildverarbeitungssystemen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine reale geometrische Eignung von Raumbereichen bei der Ermittlung geeigneter Raumbereiche anhand der Sichtbarkeitskarte(n) (7) berücksichtigt wird. Vorrichtung zur Erzeugung einer Sichtbarkeitskarte (7) für ein Verfahren nach Anspruch 1 bis 7,

umfassend eine Objektaufnahmeeinheit (1),

weiterhin umfassend eine Kamera (2) und eine Beleuchtungseinheit (3), welche unter einem festen geometrischen Verhältnis zueinander in Bezug auf ein zu inspizierendes Objekt (4) in unterschiedlichen Winkelpositionen orientierbar sind,

sowie eine Auswerteeinheit (5), welche mit der Kamera (2) und der Beleuchtungseinheit (3) in Verbindung steht und welche für die einzelnen Winkelpositionen Einträge für wenigstens eine Sichtbarkeitskarte erzeugen.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Sichtbarkeitskarte für ein Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektaufnahmeeinheit (1) zur Winkelorientierung des zu inspizierenden Objekts (4) wenigstens ein Goniometer (6) umfasst. Vorrichtung zur Erzeugung einer Sichtbarkeitskarte für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass damit Oberflächenreflektanzwerte eines zu inspizierenden Objekts (4) erfasst und ausgewertet werden,

wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass damit Oberflächenreflektanzwerte in Sichtbarkeitskarten (7) hinterlegt werden.






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