WO2013030002A1 - Verfahren und vorrichtung zur dreidimensionalen sichtprüfung eines bauteils - Google Patents

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    • G06T2200/21—Indexing scheme for image data processing or generation, in general involving computational photography

Definitions

  • the invention relates to a method for the three-dimensional inspection of a component, wherein a 4-dimensional light field of the component is recorded and wherein an image of the component on a for a two-dimensional or three-dimensional
  • the invention further relates to a device for three-dimensional inspection of a component, wherein a first sub-device for detecting a 4-dimensional light field of the component is provided and wherein a second sub-device is provided for a two-dimensional or three-dimensional representation.
  • Technoscopes are used to visually inspect components in hard to reach areas. An image of the point to be inspected is fed via a series of rod lenses or image conductors to a viewing lens, which can be observed by an examiner or a camera. Usually, technoscopes produce a two-dimensional image. Special designs with two image conductors or at least one special image conductor structure can also generate a three-dimensional image of the component to be examined via two cameras.
  • WO 96/01224 describes a video endoscope with two lenses arranged at an angle whose images are fed via a V or a Y-shaped prism to a camera, in which case each image has only half the resolution.
  • a picture of a 4D light field is described in a company brochure by Raytrix.
  • the object is imaged via a lens and an additional microlens array in a so-called plenoptic camera on a two-dimensional CCD sensor.
  • the construction of such a camera is described in the article "T. Adelson, J. Wang: Single lens stereo with a plenoptic camera. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, pp 99-106, 1992 "
  • Sharpness level can be generated.
  • US 20020030107712 A1 describes a "lightfield display" with which images can be displayed autostereoscopically for a plurality of persons A reproduction of three-dimensional information by means of two images of different polarization and associated spectacles or by means of a mutual representation of two images on a screen and an associated shutter glasses known.
  • three-dimensional representation can take place during an inspection of a component.
  • the object of the invention relating to the method is achieved by generating a two-dimensional or three-dimensional image from a predefinable perspective or an image sequence along a predeterminable trajectory from the data of the 4-dimensional light field in an evaluation step.
  • the method decouples the recording of three-dimensional image information with its information content on the view of a component from two perspectives ("disparity information") of the image reproduction.
  • the viewing of the component can be processed purely digitally and a perspective that seems appropriate to the viewer can subsequently be selected.
  • the 4D light field of another component can already be detected.
  • the perspective or the trajectory is specified by the viewer during the evaluation step, the latter can interactively move in the component or around the component by means of an input device.
  • a 3D input device such as a 3D mouse
  • small changes in perspective can create a three-dimensional impression or at least an idea of the spatial arrangement.
  • the user can also get an idea of the item by interactively driving around the component along a trajectory. This spatial impression arises, as in a simplified form in
  • textures from 2D images are partially applied there to improve the impression on a three-dimensional data record of the environment in addition to the impression of the architectural arrangements in the outer and inner areas, by which one can "move.” the real texture has been recorded from the desired viewing direction, small differences in reflectance, such as, for example, defects, are recorded in the light field and can therefore be viewed retrospectively.
  • a simplified embodiment of the method is characterized in that in the Ausensesch rode the image is presented to the viewer along a predetermined trajectory. In the inspection of similar components so the intervention of the Reduced operator and thus simplified. Furthermore, differences and mistakes are perceived particularly well.
  • a further development of the method provides that in the evaluation step the observer specifies a focal plane and / or a depth of field and, if necessary, adapts it interactively.
  • a 3D input device such as a 3D mouse, can be used. The observer can thus apparently move into the inspection of a bore by choosing the focal plane in this and concentrate by selecting the depth of field on subregions.
  • a third sub-device for generating the two-dimensional or three-dimensional representation from a predefinable perspective or along a predeterminable trajectory from the data of the 4-dimensional light field.
  • the reproduction of the image information does not show the component to be tested during real movements from different views but generates the views from the 4D light field. In a suitably recorded 4D light field, no difference between real motion and later edited view is apparent.
  • Device as a visual inspection device in the inspection of objects to be tested for defects, in particular their surfaces, provided.
  • Three-dimensional rendering such as extra glasses, can be omitted.
  • Control of a 3D playback device such as a monitor with
  • the necessary image files can be provided with the device and the method.
  • Figure 1 is a schematic view of an arrangement for receiving a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement for receiving a 4D light field 1 1 of an object 10 with a recording device 12.
  • the data from the recording device 12 are transmitted via a first data transmission 13 to a memory device 14 and stored there for later evaluation.
  • the data, or at least the part of the data required in the current evaluation step is transmitted as required via a second data transmission 15 to a 2D image display device 16 and displayed there two-dimensionally as a 2D view 17.
  • the user 21 can enter commands for changing the 2D view 17 via a trajectory input 19 to an operating and arithmetic unit 18 in such a way that he receives 2D views 17 with views of the object 10 along preselectable or predefined trajectories.
  • the necessary data is transmitted from the memory device 14 via the second data transmission 15 to the 2D image display device and displayed there.
  • a 3D reconstruction 20 of the object 10 is created.
  • only data from the memory device 14 has to be used for different 2D views 17 which allow the user 21 to create a 3D reconstruction 20 in his imagination.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Inspektion eines Bauteils, wobei ein 4-dimensionales Lichtfeld des Bauteils aufgenommen wird und wobei ein Bild des Bauteils auf einem für eine zweidimensionale oder dreidimensionale Darstellung vorgesehenen Wiedergabegerät angezeigt wird. Erfindungsgemäß wird aus den Daten des 4-dimensionalen Lichtfelds in einem Auswerteschritt ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild aus einer vorgebbaren Perspektive oder eine Bildfolge entlang einer vorgebbaren Trajektorie erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen durch die Erzeugung der Daten für den Betrachter aus den Daten des 4-dimensionalen Lichtfelds, dass Fehler durch eine für dreidimensionale Aufnahmen erforderliche gegenseitige Kalibrierung der zwei Aufnahmekanäle wegfallen. Die Wiedergabequalität wird wesentlich erhöht und mögliche Irritationen eines Betrachters durch eine nicht einwandfrei justierte Optik fallen weg.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Sichtprüfung eines Bauteils Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Inspektion eines Bauteils, wobei ein 4-dimensionales Lichtfeld des Bauteils aufgenommen wird und wobei ein Bild des Bauteils auf einem für eine zweidimensionale oder dreidimensionale
Darstellung vorgesehenen Wiedergabegerät angezeigt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Inspektion eines Bauteils, wobei eine erste Teil-Vorrichtung für eine Erfassung eines 4-dimensionalen Lichtfelds des Bauteils vorgesehen ist und wobei eine zweite Teil-Vorrichtung für eine zweidimensionale oder dreidimensionale Darstellung vorgesehen ist.
Technoskope dienen einer Sichtprüfung von Bauteilen an schwer zugänglichen Stellen. Ein Abbild der zu inspizierenden Stelle wird dabei über eine Folge von Stablinsen oder über Bildleiter einer Betrachtungslinse zugeführt, die von einem Prüfer oder einer Kamera beobachtet werden kann. Üblicherweise erzeugen Technoskope eine zweidimensionale Abbildung. Spezielle Bauformen mit zwei Bildleitern oder zumindest einem speziellen Bildleiteraufbau können über zwei Kameras auch ein dreidimensionales Abbild des zu untersuchenden Bauteils erzeugen. Die WO 96/01224 beschreibt ein Video-Endoskop mit zwei unter einem Winkel angeordneten Objektiven deren Bilder über ein V- oder ein Y-förmiges Prisma einer Kamera zugeführt werden, wobei dann jedes Bild nur die halbe Auflösung hat.
Solche 3D-Technoskope sind jedoch wesentlich größer im Durchmesser als 2D- Technoskope. Weiterhin sind sie sehr anspruchsvoll in ihrer Kalibrierung, da es bei ungenauer Kalibrierung und Nachführung zu Irritation des Prüfers bis hin zu
Kopfschmerzen kommen kann.
Eine Aufnahme eines 4D-Lichtfelds wird in einer Firmenbroschüre der Firma Raytrix beschrieben. Hierbei wird der Gegenstand über ein Objektiv und eine zusätzliches Mikrolinsen-Array in einer so genannten plenoptischen Kamera auf einen zweidimensionalen CCD-Sensor abgebildet. Der Aufbau einer solchen Kamera ist in dem Artikel „T. Adelson, J. Wang: Single lens Stereo with a plenoptic camera. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, pp 99-106, 1992" beschrieben. Aus einem so erfaßten Datensatz können in Echtzeit Bilder mit unterschiedlicher
Schärfeebene erzeugt werden.
Zu Anzeigen für eine dreidimensionale Darstellung von Daten besteht ein umfangreicher Stand der Technik. Beispielhaft beschreibt die DE19836886C2 verschiedene autostereoskopische Verfahren und die WO 1994/024601 A1 beschreibt eine
Lentikular-Anordnung zur autostereoskopischen Darstellung. Die US020030107712A1 beschreibt ein„lightfield display", mit dem für mehrere Personen Bilder autostereo- skopisch dargestellt werden können. Eine Wiedergabe dreidimensionaler Information mittels zwei Bildern unterschiedlicher Polarisation und einer zugehörigen Brille oder mittels eines wechselseitigen Darstellens zweier Bilder auf einem Bildschirm und einer zugehörigen Shutterbrille ist bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen mit verringertem Aufwand und mit hoher Wiedergabequalität eine
dreidimensionale Darstellung bei einer Inspektion eines Bauteils erfolgen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass aus den Daten des 4-dimensionalen Lichtfelds in einem Auswertesch ritt ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild aus einer vorgebbaren Perspektive oder eine Bildfolge entlang einer vorgebbaren Trajektorie erzeugt wird. Durch die Erzeugung der Daten für den Betrachter aus den Daten des 4D-Lichtfelds fallen Fehler durch eine für dreidimensionale Aufnahmen erforderliche gegenseitige Kalibrierung der zwei Aufnahmekanäle weg. Die Wiedergabequalität wird wesentlich erhöht und mögliche Irritationen eines Betrachters durch eine nicht einwandfrei justierte Optik fallen weg. Das Verfahren entkoppelt die Aufnahme von dreidimensionaler Bildinformation mit deren Informationsgehalt über die Ansicht eines Bauteils aus zwei Perspektiven („Disparitätsinformation") von der Bildwiedergabe. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren als Prüfverfahren bei der Inspektion von auf Fehler zu prüfenden Objekten, insbesondere deren Oberflächen, vorgesehen.
Werden die Daten des 4-dimensionalen Lichtfelds nach der Aufnahme gespeichert und erfolgt der Auswerteschritt zeitlich getrennt von der Aufnahme, kann die Betrachtung des Bauteils rein digital aufbereitet werden und es kann eine dem Betrachter geeignet erscheinende Perspektive nachträglich gewählt werden. Während der Inspektion des Bauteils kann bereits das 4D-Lichtfeld eines weiteren Bauteils erfasst werden.
Wird in dem Auswerteschritt die Perspektive oder die Trajektorie von dem Betrachter während des Auswertesch ritts vorgegeben, kann dieser sich mittels eines Eingabegeräts interaktiv in dem Bauteil oder um das Bauteil herum bewegen. Hierbei kann ein 3D-Eingabegerät, wie beispielhaft eine 3D-Maus, eingesetzt werden. Bei einer Wiedergabe auf einem 2D-Monitor kann durch kleine Perspektivänderungen ein dreidimensionaler Eindruck oder zumindest eine Vorstellung von der räumlichen Anordnung entstehen. Der Benutzer kann auch eine Vorstellung des Gegenstands erhalten, indem er interaktiv entlang einer Trajektorie um das Bauteil herumfährt. Dieser räumliche Eindruck entsteht, wie dies in vereinfachter Form auch in
Programmen zur Darstellung von Architekturanordnungen im Außen- und Innenbereich bekannt ist, durch die man sich virtuell„bewegen" kann. Zusätzlich werden dort teilweise zur Verbesserung des Eindrucks auf einen dreidimensionalen Datensatz der Umgebung zusätzlich Texturen aus 2D-Aufnahmen aufgebracht. Bei der Aufnahme des Lichtfeldes ist die reale Textur aus der gewünschten Blickrichtung aufgenommen worden. Kleine Reflktanzunterschiede, wie beispielhaft an Störstellen, werden dabei in dem Lichtfeld aufgezeichnet und können damit nachträglich betrachtet werden.
Eine vereinfachte Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Auswertesch ritt das Bild dem Betrachter entlang einer vorgegebenen Trajektorie vorgeführt wird. Bei der Inspektion gleichartiger Bauteile wird so der Eingriff des Bedieners verringert und damit vereinfacht. Weiterhin werden Unterschiede und Fehler besonders gut wahrgenommen.
Eine Weiterentwicklung des Verfahrens sieht vor, dass in dem Auswertesch ritt der Betrachter eine Fokusebene und/oder eine Schärfentiefe vorgibt und bei Bedarf interaktiv anpasst. Hierzu kann ein 3D-Eingabegerät, wie beispielhaft eine 3D-Maus, verwendet werden. Der Betrachter kann sich so bei der Inspektion einer Bohrung durch Wahl der Fokusebene in diese scheinbar hineinbewegen und sich durch Wahl der Schärfentiefe auf Teilbereiche konzentrieren.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine dritte Teil-Vorrichtung vorgesehen ist zur Erzeugung der zweidimensionalen oder dreidimensionalen Darstellung aus einer vorgebbaren Perspektive oder entlang einer vorgebbaren Trajektorie aus den Daten des 4-dimensionalen Lichtfelds. Die Wiedergabe der Bildinformation, beispielhaft für eine Vorrichtung für Videoprüftechnik, zeigt nicht das zu prüfende Bauteil während realer Bewegungen aus unterschiedlichen Ansichten sondern erzeugt die Ansichten aus dem 4D-Lichtfeld. Bei einem geeignet aufgezeichneten 4D-Lichtfeld ist kein Unterschied zwischen realer Bewegung und später aufbereiteter Ansicht erkennbar. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße
Vorrichtung als Sichtprüfvorrichtung bei der Inspektion von auf Fehler zu prüfenden Objekten, insbesondere deren Oberflächen, vorgesehen.
Ist ein Steuerelement zur Vorgabe der Perspektive oder der Trajektorie durch einen Benutzer mit der dritten Teil-Vorrichtung verbunden, kann der Betrachter das Bauteil aus unterschiedlichen Perspektiven betrachten und kann auch durch kleine
Änderungen der Perspektive auf einem zweidimensionalen Wiedergabegerät einen Eindruck von der räumlichen Anordnung erhalten. Übliche Hilfsmittel einer
dreidimensionalen Wiedergabe, wie zusätzliche Brillen, können entfallen. Zur
Ansteuerung eines 3D-Wiedergabegeräts, wie beispielhaft eines Monitors mit
Lentikularvorsatz, können mit der Vorrichtung und dem Verfahren die erforderlichen Bilddateien bereitgestellt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Aufnahme eines
4D-Lichtfelds und zur Betrachtung eines Datensatzes
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zur Aufnahme eines 4D-Lichtfelds 1 1 eines Objekts 10 mit einer Aufnahmeeinrichtung 12. Die Daten aus der Aufnahmeeinrichtung 12 werden über eine erste Datenübertragung 13 an eine Speichereinrichtung 14 übertragen und dort für eine spätere Auswertung gespeichert. Für die Auswertung durch einen Benutzer 21 werden die Daten, oder zumindest der im aktuellen Auswertesch ritt erforderliche Teil der Daten, bei Bedarf über eine zweite Datenübertragung 15 an eine 2D-Bildwiedergabeeinrichtung 16 übertragen und dort zweidimensional als 2D-Ansicht 17 dargestellt. Der Benutzer 21 kann über eine Trajektorieneingabe 19 an eine Bedien- und Recheneinheit 18 Befehle zur Änderung der 2D-Ansicht 17 dergestalt eingeben, dass er entlang vorwählbarer oder vorgegebener Trajektorien 2D-Ansichten 17 mit Ansichten des Objekts 10 dargestellt bekommt. Die notwendigen Daten werden dabei bei Bedarf aus der Speichereinrichtung 14 über die zweite Datenübertragung 15 an die 2D-Bildwiedergabe- einrichtung übermittelt und dort dargestellt. In der Vorstellung des Benutzers 21 entsteht so eine 3D-Rekonstruktion 20 des Objekts 10. Durch die im Vorfeld bereits erfolgte Aufnahme des kompletten 4D-Lichtfelds 1 1 des Objekts 10 muß lediglich auf Daten aus der Speichereinrichtung 14 zurückgegriffen werden um unterschiedliche 2D- Ansichten 17 zu erzeugen, die dem Benutzer 21 ermöglichen, eine 3D-Rekonstruktion 20 in seiner Vorstellung zu erzeugen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur dreidimensionalen Inspektion eines Bauteils, wobei ein 4-dimensio- nales Lichtfeld des Bauteils aufgenommen wird und wobei ein Bild des Bauteils auf einem für eine zweidimensionale oder dreidimensionale Darstellung vorgesehenen Wiedergabegerät angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Daten des 4-dimensionalen Lichtfelds in einem Auswertesch ritt ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild aus einer vorgebbaren Perspektive oder eine Bildfolge entlang einer vorgebbaren Trajektorie erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Daten des 4- dimensionalen Lichtfelds nach der Aufnahme gespeichert werden und dass der Auswertesch ritt zeitlich getrennt von der Aufnahme erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Auswertesch ritt die Perspektive oder die Trajektorie von einem Betrachter während des Auswerteschritts vorgegeben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Auswertesch ritt das Bild dem Betrachter entlang einer vorgegebenen Trajektorie vorgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Auswertesch ritt der Betrachter eine Fokusebene und/oder eine Schärfentiefe vorgibt.
6. Vorrichtung zur dreidimensionalen Inspektion eines Bauteils, wobei eine erste Teil- Vorrichtung für eine Erfassung eines 4-dimensionalen Lichtfelds des Bauteils vorgesehen ist und wobei eine zweite Teil-Vorrichtung für eine zweidimensionale oder dreidimensionale Darstellung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Teil-Vorrichtung vorgesehen ist zur Erzeugung der zweidimensionalen oder dreidimensionalen Darstellung aus einer vorgebbaren Perspektive oder entlang einer vorgebbaren Trajektorie aus den Daten des 4-dimensionalen Lichtfelds.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement zur Vorgabe der Perspektive oder der Trajektorie durch einen Benutzer mit der dritten Teil-Vorrichtung verbunden ist.
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