Verfahren zur optischen 3D-Vermessung spiegelnder Oberflächen

Die Inspektion von Werkstücken auf Formabweichungen und Defekte ist ein Bereich der Messtechnik, der sich auf Grund hoher Stückzahlen und des dadurch erreichbaren Einsparpotentials für die Automatisierung anbietet. Eine Vielzahl von industriellen Produkten wie beispielsweise Karosserieteile, Wasserarmaturen, oder optische Bauteile weist spiegelnde Eigenschaften auf. Die automatisierte Untersuchung dieser Oberflächen mittels optischer Messmethoden erfordert spezielle Herangehensweisen. Im Gegensatz zur Untersuchung matter Oberflächen kann beispielsweise weder eine direkte Auswertung von Grauwertbildern noch einfache Triangulation verwendet werden. Um eine dreidimensionale Vermessung spiegelnder Oberflächen zu ermöglichen, werden in dieser Arbeit unterschiedliche bestehende und neu entwickelte Verfahren beschrieben. Hierzu wird der physikalische Zusammenhang bei spiegelnder Reflexion erläutert, sowie die prinzipiellen Voraussetzungen an einen Messaufbau erläutert. Bei dem gewählten Messverfahren Deflektometrie wird gezielt die spiegelnde Reflexion eines bekannten Musters am zu untersuchenden Objekt ausgewertet. Mit Hilfe eines Datenprojektors wird eine Folge von Streifenmustern auf einer Projektionsfläche dargestellt. Die Reflexion dieser Muster am zu untersuchenden Objekt wird mit einer digitalen Kamera beobachtet und auf einem Computer zur weiteren Verarbeitung eingelesen. Mittels Phasenverschiebung der projizierten periodischen Muster ist die Bestimmung des Strahlengangs für alle das Muster erfassende Kamerapixel gleichzeitig möglich. Das Prinzip eines selbst entwickelten Messaufbaus wird erläutert und ein speziell entworfenes Kalibrierverfahren beschrieben sowie auf seine Genauigkeit überprüft. Es zeigt sich, dass aus den direkt gemessenen deflektometrischen Daten keine eindeutige Rekonstruktion möglich ist. Verschiedene Ansätze, die eine Rekonstruktion unter Verwendung von Zusatzwissen oder der Verknüpfung mehrerer Messungen ermöglichen, werden hergeleitet und erläutert. Hierzu wird unter anderem der Polarisationsgrad des reflektierten Lichts ausgewertet. Der Zusammenhang zwischen benachbarten Messpunkten wird mittels Markov-Zufallsfeldern modelliert. Eindeutige Merkmale auf einer spiegelnden Oberfläche lassen sich durch stereoskopische Auswertung lokaler Krümmungsmerkmale bestimmen. Diese sind für die Realisierung eines Regionenwachstumverfahrens notwendig. Letztlich werden die mit dem entwickelten Messaufbau und den implementierten Algorithmen realisierten dreidimensionalen Rekonstruktionsergebnisse diskutiert. Unter Verwendung von Optimierungsverfahren konnten diese Daten weiter verbessert werden. Die Eignung verschiedener numerischer Methoden wie etwa Iterated Conditional Modes oder Gauß-Seidel-Relaxation wurde untersucht und an Hand der erzielten Verbesserung bewertet.