Volume 83, Issue 1 - Themenheft: Digitale Kameramesstechniken / Jürgen Czarske

Zusammenfassung In diesem Beitrag wird die dreidimensionale Rekonstruktion einer gewölbten, texturierten Flügeloberfläche eines im Windkanal frei fliegenden Lannerfalken mit Hilfe eines Stereo Kamerasystems vorgestellt. Die Verwendung zweier Kameras ermöglicht die Ermittlung der Korrespondenz gesuchter Oberflächenpunkte in beiden Kamerabildern und die anschließende Triangulation der Korrespondenzpaare in räumliche Koordinaten. Die Bestimmung der zusammengehörenden Bildpunktpaare erfolgt durch Ermittlung des Verschiebungsfeldes zwischen den Kameras mit Hilfe eines Semi-Global Block Matching Algorithmus. Zur Reduktion der Komplexität werden die Bilder anhand der Epipolar Geometrie entzerrt. Die Analyse zeigt, dass sich mit diesen Methoden die Struktur der Oberfläche eines Lannerfalken im Schlagflug und die Bewegung innerhalb einer Zeitsequenz mit hinreichender Genauigkeit für aerodynamische Analysen rekonstruieren lassen.

Zusammenfassung Um für komplexe, hochdynamische Strömungsprozesse wie bei Einspritzungen in Verbrennungsmotoren eine hohe Datenrate zu erreichen, d. h. eine große Voxelanzahl im dreidimensionalen Messvolumen und eine hohe Messrate, wird der Aufbau einer Lichtfeld-High-Speed-Kamera sowie deren Anwendung für ein frequenzmoduliertes Doppler-Global-Velozimeter (FM-DGV) vorgestellt. Die Lichtfeldauswertung gestattet hierbei die 3D-Rekonstruktion des Messvolumens für jedes aufgenommene Bild. Das Messsystem wurde zunächst für zwei simultan beobachtete Messebenen aufgebaut und es wird die Untersuchung eines instationären Sprays präsentiert.

Modern high-end image sensors require up to 16 bit quantisation. Uniform quantisation is, however, not well adapted to the signal, because the temporal noise strongly increases with the grey value. Here a non-linear transform h ( g ) is proposed, which yields an image sensor signal with an adjustable, grey-value independent temporal noise. The number of bits required to represent the noise-equalised signal is in good approximation equal to the maximum signal-to-noise ratio (SNR max ). Thus the noise-equalised signal of any imaging sensor with a full-well capacity of less than 2 16 can be quantised with 8 bit or less. The only disadvantage is an insignificant increase in the overall noise level caused by additional quantisation noise.

Modern digital cameras with sophisticated optics enable accurate shape measurements via a plethora of metrological techniques. In order to take advantage of the data delivered by high-resolution cameras, one needs a sufficiently flexible model to describe the imaging geometry and an adequate calibration procedure to determine the model parameters and estimate their uncertainties. In this report, we suggest the concept of a smooth generic camera model that has several advantages compared to the state-of-the-art: the description is resolution-independent and takes advantage of the natural smoothness of the projection geometry; the global and the local symmetries inherent to the view ray-based parametrization are regularized in an explicitly unbiased manner. The calibration procedure uses dense datasets that can be obtained with the technique of active screens and consistently accounts for the uncertainty in the registration data that can be extracted during pre-processing. The concept is illustrated with synthetic examples based on physically-accurate rendering.

Zusammenfassung Die Thermografie ist heute ein Standardverfahren zur Messung von Temperaturverteilungen auf Oberflächen. Vom großen Interesse sind die bei der Thermografie auftretenden Messunsicherheiten. Diskutiert werden die Ursachen zur Messunsicherheit von ungekühlten Thermografiekameras auf der Basis von Mikrobolometern. Nach einer kurzen Erläuterung der Funktionsweise von ungekühlten Thermografiekameras wird der Kalibrierprozess für derartige Systeme beschrieben. Anschließend wird die NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), die durch das zeitliche und räumliche Rauschen des Mikrobolometerarrays bestimmt wird, und die Korrigierbarkeit C vorgestellt. Durch eine Änderung der Umgebungstemperatur kommt es zu einer Drift des Ausgangssignals, das zu einer absoluten Messabweichung führt. Die Ursachen dieser starken Temperaturabhängigkeit werden erläutert und die Notwendigkeit des Shutterns erörtert.

Zusammenfassung Bei der Formung von Faser-Thermoplast-Verbunden (FTV) ändert sich, aufgrund der angreifenden Formkräfte und der verschiedenen Reaktionen der Einzelkomponenten im Verbund darauf, die Position und Ausrichtung der Fasern im Matrixwerkstoff. Für FTV-Biegeprozesse mit dem Bogenverlauf in Richtung der Faserausrichtung entsteht so u. a. eine sichtbare Welligkeit der Fasern. Ein mögliches Verfahren zur optischen Auswertung der Welligkeit an den Oberflächen der Innen- und Außenbögen wird daher untersucht. Zur Bildgebung wird ein robotergeführtes Lichtschnittverfahren eingesetzt, um im ersten Schritt die Geometrie der Proben zu erfassen. Anschließend wird die Textur aufgenommen und mit der Geometrie fusioniert. Am entstanden Bauteilmodell wird die Länge der lokalen Faserverläufe ermittelt, um aus dem Quotienten der Faserlänge zur Bogenlänge innerhalb eines Messkorridors eine relative Kennzahl für die Welligkeit abzuleiten. Die Ergebnisse werden mit geometrisch möglichen Werten abgeglichen und zur Beurteilung des Beitrags der Welligkeit zur Bogenlängenkompensation herangezogen. Eine erste Validierung der Analyse erfolgt über Wiederholungsversuche, die zeigen, dass das vorgestellte Verfahren prinzipiell geeignet ist, Welligkeiten über Faserlängenänderungen zu erfassen.

Zusammenfassung Die Ellipso-Höhentopometrie misst zusätzlich zum topometrischen Höhenprofil die örtliche Verteilung des Materials an der Oberfläche, so dass eine hochaufgelöste Materialidentifizierung und Kartierung und eine Korrektur der Messfehler möglich wird. Alle kommerziell verfügbaren optischen Profilmessgeräte zeigen Artefakte an Übergängen verschiedener Materialien einer Werkstückoberfläche. Beispielsweise wird ein Ölfilm auf einem Metalluntergrund mit nichtlinear invertierter Profilamplitude wiedergegeben, so dass er als Vertiefung anstatt als Erhebung gemessen wird [4,5]. Die Höhe einer Leiterbahn auf einer mikroelektronischen Struktur wird gleichermaßen falsch gemessen. Große, nichtkalibrierbare Fehler können bei Schichtstrukturen auftreten. Mit einem neuartigen Ellipso-Höhentopometer können diese Messfehler und Artefakte durch Korrektur des Phasensprungs bei der Lichtreflexion für quasiplanare Oberflächen kompensiert werden. Dazu wird aus denselben Datensätzen, die zur Berechnung der Höhentopografie H ( x ,  y ) aufgenommen wurden, die lokale Verteilung der Materialien und ihrer optischen Parameter ermittelt und daraus die Material- und Schicht-Resonanzphasen zur Korrektur berechnet. Die Ellipso-Höhentopometrie kann erstmals strukturierte Profile im nm-Bereich mit hoher räumlicher Auflösung optisch richtig messen und zusätzlich lassen sich Informationen über Materialien, Schichten und Verschmutzungen auf der Oberfläche gewinnen.