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In den Bereichen Messtechnik, Qualitätssicherung oder Prozesstechnik werden häufig Bilder mit hoher Auflösung aufgenommen, die aber aufgrund der Gesetze der Wellenoptik notwendigerweise eine geringe Tiefenschärfe besitzen. Mit den implementierten Shape from Focus-Verfahren wird aus einer Folge von Bildern mit unterschiedlicher Lage der Schärfeebene ein insgesamt scharfes Bild errechnet.
Hochauflösende Bildaufnahmesysteme in Messtechnik, Qualitätssicherung und Prozesskontrolle sind mit dem Problem konfrontiert, dass nach den Gesetzen der Wellenoptik Aufnahmen mit hoher Auflösung nur eine geringe Tiefenschärfe besitzen. Die Auflösung eines optischen Systems beschreibt seine Fähigkeit, nahe beieinander liegende Objekte so abzubilden, dass sie noch getrennt wahrgenommen werden können. Sie wird in Linienpaaren pro mm (lp/mm) angegeben.
Dabei gilt für geeignete Konstanten c1 und c2:
Auflösung = c1 * A und
Tiefenschärfe = c2 / A²
Die Tiefenschärfe ist also umgekehrt proportional zum Quadrat der numerischen Auflösung. Die Größe A wird als numerische Apertur bezeichnet. Für typische Werte der physikalischen und optischen Parameter (Wellenlänge, Brechungsindex) ergibt eine numerische Apertur von 0,25 eine Auflösung von 750 lp/mm eine Tiefenschärfe von 8 µm. Bei einer Verdopplung der Auflösung erhält man nur noch eine Tiefenschärfe von 2 µm.
Aufgabenstellung
In der Literatur wird eine große Zahl von Verfahren vorgeschlagen, um aus unscharfen Bildern scharfe Aufnahmen zu errechnen. Dies belegt einerseits die Bedeutung, die der Thematik zukommt, ist aber andererseits ein Hinweis darauf, dass es keine optimale Lösung für alle Einsatzfälle gibt. Die methodischen Ansätze sind sehr unterschiedlich, man benutzt dazu unter anderem:
- Filter im Ortsfrequenz- und im Ortsbereich (bei Shape from Defocus-Verfahren und bei Objekten mit metallischer Oberfläche)
- Interpolationsverfahren für Objekte mit texturreicher Oberfläche
- Konturenberechnung durch Projektion statistischer Rauschmuster
- diverse Kriterien zur Bestimmung der lokalen Schärfe bei der Fokussierungsanalyse von Bildfolgen (u. a. geometrische Momente der Bildfunktion, HistogrammMerkmale, Merkmale von Ableitungen der Bildfunktion)
Über die tatsächliche Leistungsfähigkeit dieser Ansätze war jedoch wenig bekannt und vergleichende Untersuchungen fehlten überhaupt. Das Projekt, das Ulf Wittl in seiner Diplomarbeit an der Fachhochschule Regensburg in Zusammenarbeit mit der Firma MICRO-EPSILON, einem führenden Hersteller hochgenauer Mess-Systeme, bearbeitete, hatte zum Ziel,
- einen Überblick über die bekannten Shape from Focus-Verfahren zu gewinnen,
- ausgewählte Verfahren mit ICONNECT, einem Applikationsgenerator für die Mess- und Regelungstechnik, zu implementieren und
- die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Ansätze anhand von Testbild-Reihen zu ermitteln und zu vergleichen.
Lösungsansatz
Die Untersuchung konzentrierte sich auf den Vergleich von Shape from Focus-Verfahren. Diese basieren auf Aufnahmeserien mit unterschiedlicher Lage der Schärfeebene und liefern im Allgemeinen die besten Ergebnisse. Es wurden unterschiedliche Kriterien benutzt, um für Bildbereiche (Fenster) die dafür jeweils schärfste Aufnahme der Serie zu ermitteln:
- Merkmale des Gradienten der Bildfunktion
- Ergebnisse einer Hochpass-Filterung (z. B. mit Laplace- und Sobel-Operatoren)
- Partielle Ableitungen der Bild-Funktion
- die Varianz der Graustufen-Intensitäten
Ein Parameter, der neben dem gewählten Kriterium den Rechenaufwand und die Qualität der Ergebnisse wesentlich beeinflusst, ist die Größe der lokalen Umgebung, für die die Schärfekriterien berechnet werden. Eine Fokussierungsanalyse umfasst dann die folgenden Schritte:
- Aufnahme einer Bildserie mit bis zu 200 Bildern
- Aufbereiten der Einzelbilder, z. B. durch Hochpass-Filterung
- Festlegen der Fenstergröße (zwischen 3 x 3 und 30 x 30 Bildpunkten)
- Berechnung des Focus-Maßes für alle Fenster
- Generierung des scharfen Bildes
Die ausgewählten Verfahren wurden implementiert und in die Mess- und Analyse-Software ICONNECT integriert. Gleichzeitig mit den Analysen wurde das Laufzeitverhalten gemessen. Anschließend wurde eine visuelle Beurteilung der berechneten Ergebnis-Bilder durchgeführt.
Ergebnisse
Der systematische Vergleich der Verfahren ergab, dass jeder Algorithmus spezielle Vor- und Nachteile besitzt, die zudem auch von der Art des Bildmaterials abhängen. Damit kann es keine generelle Empfehlung für ein stets optimales Verfahren geben. Die durchgeführten Messungen ermöglichen es aber, in Abhängigkeit vom konkreten Bildinhalt, ein geeignetes Verfahren auszuwählen und geben detaillierte Auskunft über das zu erwartende Laufzeitverhalten und die Qualität der Ergebnisse. Die Ergebnisse lassen zudem Optimierungsmöglichkeiten für die Verfahren erkennen:
- variable Fenstergrößen in Abhängigkeit vom Bildinhalt
- Pixelgenaue Analyse (Fenstergröße 1)
- Variable Tiefenschritte
- Einsatz einer Auflicht-Beleuchtung
Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für den Bereich der optischen Messtechnik relevant, sondern auch für viele andere Gebiete, bei denen die Erhöhung der Tiefenschärfe von Aufnahmen gefordert wird.
Das System wird im Rahmen der Sonderschau "Berührungslose Messtechnik" anlässlich der Control 2005 in Sinsheim, 26. bis 29. April, in Halle 7, Stand 7128, vorgestellt. Die Sonderschau will einen Beitrag zur Verbreiterung der Akzeptanz berührungsloser Messtechnik leisten, indem an einigen ausgewählten Exponaten die Konstruktionsprinzipien, Eigenheiten und Grenzen der neuen Messmöglichkeiten demonstriert werden. Die Sonderschau findet mit Unterstützung der P. E. Schall GmbH, den Mitgliedern des Control-Messebeirats und der Fraunhofer-Allianz Vision statt.
Fachliche Anfragen:
MICRO-EPSILON Messtechnik GmbH & Co KG
Dipl.-Inform. Robert Wagner
Telefon 0 85 42/9 19-9 20
E-Mail: robert.wagner@micro-epsilon.de
Presse-Anfragen:
Fraunhofer-Allianz Vision
Regina Fischer, M.A.
Telefon 0 91 31/7 76-5 30
E-Mail: vision@fraunhofer.de
Die Fraunhofer-Allianz Vision ist ein Zusammenschluss von Fraunhofer-Instituten zu den Themen Bildverarbeitung, optische Inspektion und 3-D-Messtechnik, Röntgenmesstechnik und zerstörungsfreie Prüfung.
http://www.vision.fraunhofer.de/de/4/projekte/238.html
http://www.vision.fraunhofer.de/de/5/presse/76.html Text/Bild-Download für Presse
Unterschiedliche Fokussierung
Quelle: Fachhochschule Regensburg
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Scharfes Bild
Quelle: Fachhochschule Regensburg
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Elektrotechnik, Energie, Informationstechnik, Maschinenbau, Mathematik, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsergebnisse
Deutsch
Unterschiedliche Fokussierung
Quelle: Fachhochschule Regensburg
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Scharfes Bild
Quelle: Fachhochschule Regensburg
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