DE3600672A1

DE3600672A1 - Rechnergestuetzte ermittlung von verformung und bewegung aus bildern mit projezierten mustern

Info

Publication number: DE3600672A1
Application number: DE19863600672
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Breuckmann; Werner Dr Thieme
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-01-13
Filing date: 1986-01-13
Publication date: 1987-07-16

Description

Gattung

Das Verfahren betrifft die quantitative, rechnergestützte Ermittlung von Verformung und/oder Bewegung mittels Bilder des Meßobjekts. Das Meßprinzip beruht auf der Projektion von Mustern auf das Meßobjekt; aus der räumlichen Änderung der Muster kann auf Verformung und Bewegung des Meßobjekts zurückgerechnet werden.

Stand der Technik

Die Auswertung der Musteränderung erfolgt generell mit Hilfe der Moir´-Technik. Diese Technik, die sich hinsichtlich photografischer Materialien und Ausführung einer großen Variationsbreite erfreut, kann immer auf folgendes Prinzip zurückgeführt werden:

Vom Objekt, auf das ein Muster projeziert ist, werden bei verschiedenem Verformungs- oder Ortszustand zwei photografische Aufnahmen auf durchscheinendem Material erstellt. Die Überlagerung der beiden Aufnahmen führt zu Moir´- Linien, die das Bild des Objekts überziehen.

Die Auswertung der Moir´-Linien erfolgt im allgemeinen auf zwei Weisen:

a) visuell-manuell durch Abzählen der Linien, durch Nachzeichnen der Linien unter Benutzung optischer Hilfsmittel oder Grafiktabletts. Eine Erhöhung der Auswertegenauigkeit für einzelne Punkte wird durch gegenseitiges Verschieben der Aufnahmen erreicht.
b) rechnergestützt durch Einlesen der digitalisierten Bilder in Datenspeicher und Auswertung nach dem Skelettierverfahren mittels Linienerkennungsprogrammen.
Lit.:,2V. Perzborn und K.-H. Laermann, VDI-Berichte 552
9. GESA-Symposium 1985
T. Yatagai und M. Idesawa, 1982
Optics and Lasers in Engineering 3 1982 73-83

Kritik

Die visuell-manuellen Verfahren sind zeitaufwendig, subjektiv und fehleranfällig. Eine hohe Auswertegenauigkeit wird nur für wenige Bildstellen erreicht und erfordert speziell qualifiziertes Personal. Die Skelettierverfahren sind rechenzeitaufwendig, empfindlich gegen Störungen im Streifenmuster, z. B. wenn Schatten oder Reflexe auftreten, und versagen bei bestimmten Arten von Bildern. Beide Verfahren werten nur Teile der im Muster enthaltenen Informationen aus und benötigen zur Auswertung die Umgebung eines Bildpunktes.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den gesamten Informationsgehalt, den die Musteränderung beinhaltet, komplett oder in beliebig großen Ausschnitten mit hoher Genauigkeit, unempfindlich gegenüber Störungen, wie z. B. Schatten oder Reflexe, und frei von subjektiven Beurteilungskriterien zu ermitteln.

Lösung

Das mit einer Kamera aufgenommene Intensitätsbild I (x, y) eines mit einem Muster beleuchteten Objekts setzt sich bekannterweise aus verschiedenen Anteilen zusammen, nämlich einer Hintergrundintensität H (x, y), einer Kontrastintensität K (x, y) und einem Musterbild M (ϕ (x, y)). Die Funktion M ist bestimmt durch die Art der Mustererzeugung; ϕ (x, y) beschreibt die Form des Musters auf dem Objekt, und mit x und y sind die Koordinaten der Bildpunkte bezeichnet. Im Intensitätsbild sind die Größen H, K und ϕ folgendermaßen miteinander verknüpft:

I (x, y) = H (x, y) + K (x, y) · M (ϕ (x, y)) (1)

Durch apparative Maßnahmen und Verfahren, wie sie in Anspruch 1 und 5 gekennzeichnet sind, läßt sich eine gezielte Verschiebung des Musters relativ zum Objekt erreichen; das Intensitätsbild I wird somit abhängig von einem bekannten Lageparameter δ:

I _δ (x, y) = H (x, y) + K (x, y) · M (ϕ (x, y), w) (2)

Durch die Wahl geeigneter Sätze von δ _i läßt sich Gleichung 2 zu einem Gleichungssystem erweitern, das eine exakte Auflösung nach den Unbekannten H, K und ϕ aus den bekannten Bildintensitäten I _δ1, I _δ2, . . . . gestattet.

Hierzu werden in der Praxis die Intensitäten I _{δ i} für verschiedene Musterlagen aufgenommen und auf Datenspeicher abgelegt, gemäß Punkt 1b des Anspruchs. Die Berechnung der Formfunktion ϕ (x, y) und/oder des Kontrastbildes K (x, y) und/oder des Hintergrundbildes H (x, y) erfolgt punktweise mittels der abgespeicherten Bildinhalte, gemäß Punkt 1c des Anspruchs.

In gleicher Weise kann für das verformte oder bewegte Objekt verfahren werden. Die Information über die Verformung oder Bewegung des Objekts liegt im Meßprinzip entsprechend in der Änderung der Formfunktion ϕ (x, y). Mittels der beiden exakt ermittelten Formfunktionen, sowie mittels der Daten des optischen Aufbaus läßt sich für jeden Punkt die Verformung mit hoher Genauigkeit berechnen.

Die Berechnung der Verformung muß nicht notwendigerweise über die einzeln ermittelten Formfunktionen erfolgen, es besteht vielmehr eine große Mannigfaltigkeit hinsichtlich der verwendbaren Sätze von δ _i und somit eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten der Gleichungssysteme. Es gibt, wie im Ausführungsbeispiel demonstriert wird, die Möglichkeit, durch geschickte Wahl der Lageparameter δ _i das Gleichungssystem so zu gestalten, daß es direkt nach der Differenz der Formfunktionen auflösbar ist.

Die Berechnung der exakten Lösungen läßt sich in geeigneten Rechnersystemen für das gesamte Bild mit geringem Zeit- und Programmaufwand bewerkstelligen. Wesentlich, und von den bisherigen Methoden sich unterscheidend, ist, daß die Berechnung an jedem einzelnen Bildpunkt exakt und unabhängig von der Umgebung dieses Punktes ist.

Ausgestaltung

Das Hinzufügen eines apparativen Parameters ist ein methodischer Vorgang, der eine automatisierte Auswertung zuläßt oder nach entsprechender Einweisung auch weniger qualifiziertem Personal die Auswertung ermöglicht.

Erzielbare Vorteile

Es wird eine vollständige Auswertung des gesamten Bildes mit hoher Genauigkeit und großer Zuverlässigkeit erreicht, die Auswertung ist frei von subjektiven Beurteilungskriterien. Die Daten sind in maschinell lesbarer Form zur Darstellung und Weiterverarbeitung verfügbar, so z. B. zur Darstellung der Verformung mittles 3D-Plots.

Ausführungsbeispiel

Als Ausführungsbeispiel wird die Ermittlung der z-Komponente einer Verformung gewählt; eine hierzu brauchbare Anordnung ist in Abb. 1 dargestellt. Ein Laserstrahl trifft auf ein leicht dejustiertes Zweistrahlinterferometer (2), durchläuft eine Aufweitungsoptik (4) und beleuchtet dann das Meßobjekt (5) unter einem Winkel mit einem Interferenzstreifenmuster. Die Streifenlage auf dem Objekt läßt sich durch kontrolliertes Bewegen eines Piezospiegels (3) einstellen. Mittels einer elektronischen Kamera (6) werden Bilder bei verschiedenen Streifenlagen und Verformungszuständen in ein elektronisches Bildverarbeitungssystem, bestehend aus Rechner, Datenspeicher und Monitor, eingelesen und abgespeichert.

Die Intensitätsverteilung, die von der Kamera erfaßt wird, läßt sich im beschriebenen Fall folgendermaßen darstellen:

I _δ (x, y) = H (x, y) + K (x, y) · cos(ϕ (x, y) + δ _i) (3)

Im vorliegenden Fall werden vier Bilder aufgenommen; das erste beim Verformungszustand A und bei der Streifenlage w ₁ = 0°, die anderen drei beim Zustand B und Streifenlagen von δ ₂ = 0°, δ ₃ = 120° und δ ₄ = 240°. Damit entsteht das folgende Gleichungssystem:

I ₁ (x, y) = H (x, y) + K (x, y) · cos d _A (-x, y)
I ₂ (x, y) = H (x, y) + K (x, y) · cos d _B (-x, y)
I ₃ (x, y) = H (x, y) + K (x, y) · cos(d _B (-x, y) + 120°) (4)
I ₄ (x, y) = H (x, y) + K (x, y) · cos(ϕ _B (-x, y) + 240°)

Im ersten Rechenschritt werden die Beträge der Differenzbilder I ₁-I ₂ , I ₁-I ₃ und I ₁-I ₄ gebildet und zur Unterdrückung von Termen mit (ϕ _A + ϕ _B) tiefpaßgefiltert.

Im zweiten Rechenschritt wird die für die Ermittlung der z-Verformung relevante Größe ϕ _A-ϕ _B nach folgender Gleichung punktweise berechnet:

Im dritten Schritt wird aus dem Bild ϕ _A-ϕ _B mittels der Geometriedaten des optischen Aufbaus die z-Verformung v _z berechnet:

d ist dabei der Streifenabstand und α der Winkel zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung. Das Bild v kann ebenfalls auf Datenspeicher abgelegt werden und steht für eine Weiterverarbeitung oder Datenausgabe in digitaler Form zur Verfügung.

Claims

1) Ein Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung von Verformungs- und Bewegungskomponenten aus Bildern mit projezierten Mustern, gekennzeichnet durch die Kombination folgender drei Merkmale:

a) Erzeugung einer Verschiebung des projezierten Musters relativ zum Objekt,
b) musteraufgelöste Aufnahme und Abspeicherung von Bildern des Meßobjekts für verschiedene Lagen des Musters und für verschiedene Zustände des Meßobjekts,
c) punktweise Berechnung von Verformungs- und Bewegungskomponenten oder daraus abgeleiteter Größen wie Dehnung oder Geschwindigkeit mittels der abgespeicherten Bildinhalte.

2) Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster ein paralleles, gleichabständiges Streifenmuster ist.

3) Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster durch Interferenzerscheinungen von Licht erzeugt wird.

4) Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster durch einen oder mehrere Lichtstrahlen oder Laserstrahlen erzeugt wird.

5) Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Musters durch Änderung eines optischen Weges erzeugt wird.

6) Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme oder das Einlesen der Bilder mittels elektronischer Kamera erfolgt.

7) Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere Muster projeziert werden oder daß gleichzeitig mehrere Kameras eingesetzt werden.