Wie ein Kartenhaus - Imagic Bildverarbeitung AG

AUSGABE 2
SEPTEMBER
2002
S. 68 – 69
EINE SONDERPUBLIKATION VON MESSTEC & Automation
INSPECT
BILDVERARBEITUNG • OBERFLÄCHE • MIKROSKOPIE
DIPL. EL.-ING. ETH URS GOMEZ
Wie ein Kartenhaus
Automatisierte z-Bildstapelverarbeitung
im digitalen Bildmanagement
SONDERDRUCK
www.gitverlag.com

Der Grund für das schnell wachsende
Interesse an der 3D-Bildaufnahme in der
industriellen Fertigung und Prüfung entsteht
einerseits aus dem wachsenden Bedarf
an der echten 3D-Vermessung und
Visualisierung von Materialoberflächen,
mit der Möglichkeit, beliebige 2D-Ansichten
als Bilder abzulegen und in Berichten
und Präsentationen verwenden
zu können. Andererseits besteht aber
auch ein starker Bedarf, mikroskopische
Objekte mit hoher Auflösung und gleichzeitig
hoher Schärfentiefe als 2D-Bilder
fotografisch zu erfassen. Hier kann aus
der dritten Dimension, also der effektiven
Höheninformation des Objekts, die
notwendige zusätzliche Information der
Schärfentiefe für das 2D-Bild errechnet
werden.
Im Bereich der Materialprüfung und -
verarbeitung sind vor allem zwei Methoden
der 3D-Bilderfassung interessant:
Das Multifokusbild und das 3D-Oberflächenbild.
Multifokusbilder und 3D-Oberflächen
Multifokusbilder werden aus einer Serie
von Bildern aufeinander folgender
Schärfeebenen berechnet, bei welcher
jedes der Bilder eine unterschiedliche
Schärfeebene des abzubildenden Objekts
darstellt. Die rechnerische Kombination
aller Schärfeebenen dieser Serie ergibt
ein 2D-Bild mit unendlicher Schärfentiefe
des Objekts über den gewünschten
Schärfebereich (Abb. 1). Diese Methode
ist sehr gut geeignet, um Objekte, welche
als ganzes den Schärfentiefebereich der
Wie ein Kartenhaus
Automatisierte z-Bildstapelverarbeitung
im digitalen Bildmanagement
abbildenden Optik überschreiten, mit
unendlicher Schärfentiefe darzustellen.
Diese Methode benötigt keine weiteren
Visualisierungs- oder Messfunktionen.
3D-Oberflächenbilder basieren wie
die Multifokusbilder auf einer Serie von
in der z-Achse aufeinander folgenden
Bildern, welche die Schärfeinformationen
der einzelnen Bilder in eine Höheninformation
für die Analyse und Visualisierung
der 3D-Oberfläche umrechnen.
Diese Methode benötigt sowohl für die
Visualisierung wie für die Analyse spezielle
Werkzeuge, da die 3D-Information
auf dem Bildschirm als 2D-Projektion
dargestellt werden muss.
Anwendungsbereich
Die Bedeutung der 3D-Bildaufnahme zur
Erstellung von Oberflächenbildern und
Bildern mit unendlicher Schärfentiefe im
industriellen Umfeld nimmt schnell zu. In
diesem Beitrag soll ein Verfahren aufgezeigt
werden, welches eine kostengünstige
und routinetaugliche Erfassung und Verarbeitung
von 3D- und Multifokusbildern
ermöglicht.
Die Erfassung und Analyse von 3D-Bildern
ist bis heute aber noch nicht breit
Abb. 1: Das Resultat einer Verrechnung von 50
Einzelbildern auf einander folgender Fokusebenen
zu einem Bild mit unendlicher Schärfentiefe.
Urs Gomez
etabliert, da der technische und finanzielle
Aufwand zur Erzeugung solcher
Bilder sehr hoch ist, denn es werden
computergesteuerte Lichtmikroskope
und spezialisierte Kameras benötigt.
Außerdem sind die Verfahren bisher
eher in wissenschaftlicher Umgebung im
Einsatz und der Zeitaufwand zur Berechnung
solcher Multifokus- und 3D-
Bilder ist im allgemeinen nicht routinetauglich,
da für eine z-Stapelaufnahme
häufig 50 oder mehr Bilder notwendig
sind, was ebenfalls sehr zeitaufwändig
werden kann.
Um die Vorteile dieser Technik im industriellen
Umfeld nutzen zu können,
wird ein kostengünstiges System zur
schnellen, routinemäßigen Erfassung,
Bearbeitung und Darstellung von 3D-Bildern
benötigt.
Lichtmikroskop oder Stereolupe
Die 3D-Bildaufnahme bringt sowohl für
die Vergrößerungsbereiche der Lichtmikroskopie
wie für diejenigen der Stereolupen
gleichermaßen Vorteile, wobei
beim Lichtmikroskop auf Grund der höheren
Vergrößerung die angestrebte
Korrektur der sehr niedrigen Schärfentiefe
noch stärker ins Gewicht fällt als bei
den Stereolupen. Außerdem sind beim
Mikroskop die Arbeitsabstände und Bildausschnitte
sehr klein. Stereolupen mit
ihrem typischen Vergrößerungsbereich
von 2-50fach dagegen lassen eine stereoskopische
Objektdarstellung im mm- bis
cm-Bereich zu. Als Gerätetyp im Bereich
5.000-10.000 Euro um einiges günstiger

Abb. 2: Der korrigierte Strahlengang einer Leica Stereolupe erlaubt die optimierte 3D-Bildaufnahme.
als computergesteuerte Lichtmikroskope,
können sie zudem im Nachhinein
kostengünstig auf motorische z-Triebe
nachgerüstet werden. In beiden Fällen
ist der Einsatz von plan-achromaten
oder noch besser plan-apochromaten
Objektiven wichtig, um Abbildungsfehler
zu vermeiden.
Konstruktionsbedingt haftet den typischen
Stereolupen ein Nachteil für die
3D-Bilderfassung an: Sie besitzen keinen
vertikalen Strahlengang (Abb. 2), was
bei der Bilderfassung eines z-Bildstapels
zu einer Verschiebung des Bildes in x-
Richtung führt. Diese Verschiebung kann
zwar rechnerisch bei der Bildaufnahme
korrigiert werden, allerdings ist eine
Korrektur des Strahlengangs, wie z.B.
bei den Leica Stereolupen mit AX-Trieb
Abb. 3: Das Resultatbild einer Bohrer-Multifokusaufnahme,
sowie einige der Teilbilder unterschiedlicher
Schärfenebenen.
realisiert, optisch präziser und erlaubt
schnelle Bildserieaufnahmen, da keine
Software-Korrekturen notwendig sind.
Eine solche Lösung erlaubt auch für kleinere
Budgets die Einführung der 3D-
Technologie.
Kameras
Grundsätzlich kann jede Kamera für den
z-Bildstapeleinzug verwendet werden,
allerdings stehen nicht für alle Kameras
Treiber zur Verfügung, welche den kontinuierlichen
Bildeinzug unterstützen. Die
meisten der weit verbreiteten Twain-
Treiber sind z.B. nicht in der Lage, Mehrfachbilder
in Serie einzuziehen. Universelle,
generische Kameratreiber wie
Imagic sie herstellt, welche für alle angesteuerten
Kameras eine identische Benutzeroberfläche
bieten, erlauben hingegen
den Einsatz vieler verschiedener
Kameras für den 3D-Bildeinzug, von analogen
Video-Kameras bis zu hochauflösenden
Digitalkameras.
Einsatzmöglichkeiten
Die Technik der echten 3D-Bildaufnahme
bietet grundsätzlich einen erhöhten
Informationsgehalt sowohl für die
Oberflächenanalyse und –visualisierung,
als auch zur hoch aufgelösten Erfassung
von räumlichen Objekten als 2D-Bilder
mit wesentlich gesteigerter Qualität und
Aussagekraft zur Verwendung in Berichten
und Präsentationen. Dabei ermög-
licht die Kombination einer motorisierten
Stereolupe mit einer Analog- oder Digitalkamera,
sowie der Ansteuersoftware
für motorischen Multifokus oder
3D-Oberflächen, die kostengünstige Einführung
der 3D-Bildtechnik im industriellen
Forschungs- und Prüfumfeld. Die
Geschwindigkeit der Erfassung und Verarbeitung
der Multifokus- und 3D-Oberflächenbilder
erlaubt den Einsatz in
Routine-Prüflabors. Natürlich ist diese
Technik auch für den Einsatz im Mikrometerbereich
– mit Lichtmikroskopen
und Vergrößerungen von 50-1000fach
bei der Analyse von sehr kleinen Teilen
(z.B. Uhrenindustrie) – hervorragend geeignet.
Die so erfassten 2D- und 3D-Bilder
lassen sich in gleicher Weise wie bisher
automatisiert in Word-Berichte oder Powerpoint-Präsentationen
einfügen, mit
der Möglichkeit, Zoombereiche hervorzuheben.
Erfahrungsbereich
Die Alltagstauglichkeit des beschriebenen
Systems wird z.B. bei der Firma Hilti
offensichtlich: Seit der Einführung des
3D-Systems, bestehend aus einer Leica
Stereolupe, einer Digitalkamera und dem
motorischen Multifokus-Modul für das
Bildmanagement-System ImageAccess,
werden dort pro Tag bis zu Hundert Multifokusbilder
zur Analyse des Oberflächenverschleißes
von Bohrern gemacht.
Für die Aufnahmen werden pro Bohrer
automatisch 50 Aufnahmen in weniger
als 2 Minuten über einen Schärfebereich
von 2 bis 20 mm aufgenommen, verrechnet
und als 2D-Bilder abgelegt (Abb. 3).
Auf Grund der Geschwindigkeit und vollständigen
Automatisierung sind praktisch
alle 2D-Einzelaufnahmen für die
Verschleißprüfung durch 3D-Serienaufnahmen
ersetzt worden.
DER AUTOR
Dipl. El.-Ing. ETH Urs Gomez
Imagic Bildverarbeitung AG
info@imagic.ch
www.imagic-imaging.com
Fax: +41 (0)1-8094061

Imagic Bildmanagement-Systeme
Imagic Bildverarbeitung AG (Schweiz, Deutschland, England)
Die Imagic Bildverarbeitung AG ist ein unabhängiger Software-Hersteller im Bereich des digitalen
Bildmanagements. 17 Jahre Erfahrung fließen in der Entwicklung von Bild-Management-Systemen für
die Erfassung, Verwaltung, Bearbeitung und Analyse von Bildern, sowie für die Ausgabe sämtlicher
Daten als Berichte oder Präsentationen.
Imagic Bildmanagement-Systeme werden überall da im industriellen, medizinischen und Life-Science-
Umfeld eingesetzt, wo professionell mit digitalisierten Bildern gearbeitet wird: in der Materialprüfung,
Qualitätssicherung und Schaden- & Werkstoffanalytik, Auto-, Chemie- und Stahlindustrie, grossen
Fotoarchiven, in Forschung und Medizin (Universitätskliniken), Archäologien, Staatsarchiven und
Versicherungen, sowie in der allgemeinen Fotografie.
Einige Funktionen der neuen ImageAccess Version 4.5
• Vollumfängliches Benutzermanagement mit Importmöglichkeit aus Betriebssystem
• Datenzugriffskontrolle und Funktionsbeschränkung auf Benutzerebene
• MovieRecorder-Modul für Filmsequenzaufnahme mit allen unterstützten Kameras
(bis 25 Bilder/s), Daueraufnahme mit Speicherung der letzten Ereignisse
• Bildschutz gegen Fremdzugriff auf Briefmarkenbilder
• Erweiterte Filterfunktionen für noch einfachere Bildsuche
ImageAccess & Basis-Module
ImageAccess Archiv
Stichwort (Keyword) / Dokument-
Verwaltung / Bildmanager /
Zugriffsbeschränkung / LizenzManager
Automatische Bilderfassung
MultiFokus, 3D-Bildserieaufnahme mit
Imaris, Topo-Bildaufnahme
Automatisches Erzeugen von
Berichten und Präsentationen
Präsentation
PowerPoint Präsentation
WORD Report
Movie Recorder/Player
Im ag ic B i ld ver ar be it u ng A G
Kanalstrasse 27
CH-8152 Glattbrugg
Schweiz
Tel +41 (0)1 809 40 60
Fax +41 (0)1 809 40 61
E-Mail: info@imagic.ch
www.imagic-imaging.com
ImageAccess Module und Applikationen
Bearbeitung & Analyse
Beschriftung / Bildanalyse /
Bildbearbeitung / Bildmontage /
Bildüberlagerung / Bildvergleich /
Flächenanteilmessung / X-Bit-
Darstellung
Unterstützung Kameras,
Framegrabber und Mikroskope
Leica DC-Serie
Firewire-Digitalkameras
Jenoptik C14
Leutron PicPort Y/C
Matrox Meteor-II RGB/ Y/C
Nikon DXM1200
Point REM-Bildaufnahme
Pifoc Piezo Z-Trieb, etc.
Datenimport für Mikroskope
Im ag ic B i ld ver ar be it u ng G m bH
Am Kreuzbühl 4
D-72458 Albstadt
Deutschland
Tel +49 (0)7431 13 416 00
Fax +49 (0)7431 13 416 20
E-Mail: info.de@imagic.ch
Messen
Richtreihenvergleich
Schichtdickenmessung
Kalibrierbalken
Messen und Beschriften
Mikrohärte-Prüfung
Internet-Applikation
Plattformunabhängiger Zugang zu den
Bildarchiven via Standardbrowser
ImageAccess Internet-Applikation mit
den Modulen: Edit, Word-Report,
PowerPoint Präsentation, E-Commerce
Image Access Viewer
ImageAccess ohne Editierfunktionen
Im ag ic ( U K ) pl c
PO Box 1066, Devizes
Wiltshire, SN10 5XG
England
Tel +44 (0)1380 729 099
Fax +44 (0)1380 729 092
E-Mail: info@imageaccess.co.uk