Algorithmen zur Bildverarbeitung Bildverarbeitung und ihr Einsatz im Bereich der Lasermaterialbearbeitung Frederic Schulze.

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1 Algorithmen zur Bildverarbeitung Bildverarbeitung und ihr Einsatz im Bereich der Lasermaterialbearbeitung Frederic Schulze

2 Seite 2 Gliederung 1.Licht und Bildsensoren 2. Methoden zur Bildverarbeitung 3. Anwendungen in der Lasertechnik

3 Seite 3 Wellenlängen des Lichts Das Spektrum des Lichts teilt sich in Wellen unterschiedlicher Frequenzen. Das menschliche Auge kann nur einen kleinen Bereich dieses Spektrums wahrnehmen. Halbleiter Bildsensoren nehmen ebenfalls nur einen Teil des Spektrums wahr. Licht und Bildsensoren

4 Seite 4 Prinzipielle Funktionsweise von Kameras Kameras sammeln Photonen eines bestimmten Wellenlängen- bereiches auf ihrem Sensorchip und wandeln diese in Photo- elektronen um. Die Häufung der Photonen auf den Teilfeldern des Sensorchips bestimmt die Intensität der dargestellten Pixel. Monochromatische Kameras haben einen Farbkanal und Farbkameras in der Regel 3. Licht und Bildsensoren

5 Seite 5 Störeinflüsse Salt & Pepper Noise ( Impulsrauschen ) -Verursacht durch externe Störeinflüsse. Gaussian Noise -Verursacht durch thermisches Rauschen des Aufnahmesystems. Licht und Bildsensoren

6 Seite 6 Störeinflüsse Shot Noise -Verursacht durch Intensitätsschwankungen der Abbildung. Quantization Noise -Verursacht durch die Abtastung der A/D Wandlers. -Das Rauschen ist im Mittel so groß wie der halbe Abstand der Quantisierungsstuffen. Licht und Bildsensoren

7 Seite 7 Segmentierung von monochromen Bildern Einseitig : Methoden zur Bildverarbeitung Diskrete Werte : Zweiseitig :

8 Seite 8 Wahl des Schwellwertes Manueller Schwellwert - Schwellwert wird unter Betrachtung des Histogramms festgelegt. Globaler Schwellwert - Auf dem gesamten Bild wird ein optimaler Schwellwert berechnet. Lokaler Schwellwert - Eine Struktur wird über das Bild bewegt und alle Pixel unterhalb Struktur mit einem neu berechneten Schwellwert segmentiert. Methoden zur Bildverarbeitung

9 Seite 9 Nachverarbeitung segmentierter Bilder Morphologische Operatoren Die Operatoren bewirken Umformungen des Bildes. Ein Struktur mit Befestigungspunkt wird über das Bild bewegt um unterliegenden Pixel zu glätten bzw. Strukturen zu füllen. Die grundlegenden Transformationen werden als Dilatation und Erosion bezeichnet. Die Dilatation ermittelt die maximale Intensität. Die Objekte werden vergrößert und Löcher geschlossen. Bei der Erosion wird die minimale Intensität ermittelt. Die Objekte der Szene werden verkleinert und Rauschen gefiltert. Methoden zur Bildverarbeitung

10 Seite 10 Anwendung morphologischer Operatoren Opening = Erosion + Dilatation Closing = Dilatation + Erosion Scannen eines Fingerabdrucks durch Abfolgen der Operatoren. Methoden zur Bildverarbeitung

11 Seite 11 Anwendung morphologischer Operatoren Randerkennung Segmentierung des Bildes Erosion des Bildes zum abtragen der Ränder Subtraktion des erodierten vom Originalbild Methoden zur Bildverarbeitung

12 Seite 12 Auswertung der Binärbilder Unterscheidung der einzelnen Objekte Nachbarschaften von Pixel Region Labelling -Der Algorithmus läuft über das Binärbild und erstellt eine Tabelle der zusammenhängen Objekten und der vergeben Farben. -Er durchläuft das Bild von links nach rechts und anschließend von oben nach unten um die Tabelle vollständig anzulegen. -Im zweiten Schritt werden alle Farben der Objekte durch eine ersetzt. Methoden zur Bildverarbeitung

13 Seite 13 Auswertung der Binärbilder -Lage in X Richtung Flächenberechnung -Summe aller Pixel der Region Schwerpunktsberechnung -Lage in Y Richtung Kreisförmigkeit -Berechnung von Mittelwert und Varianz der radialen Entfernung. -Die Kreisförmigkeit ergibt sich als Quotient von Mittelwert und Varianz. Methoden zur Bildverarbeitung

14 Seite 14 Filter Durchschnittsfilter -Alle Pixel unterhalb einer Filtermaske werden gleich gewichtet. Gaußfilter -Der Gaußfilter gewichtet nahe gelegene Pixel stärker als weit entfernte. -Die Gewichtung wird über die Varianz und Größe der Filtermaske gesteuert. Medianfilter -Der Medianfilter hat den Vorteil der Kantenerhaltung. Methoden zur Bildverarbeitung

15 Seite 15 Orts- und Frequenzraum Die Darstellung von Amplitude und Phasenwinkel erfolgt getrennt. Verschiebungen des Objektes entsprechen einer Phasenverschiebung. Rotationen des Objektes entsprechen einer Amplitudenänderung. Methoden zur Bildverarbeitung

16 Seite 16 Faltungen Faltungen werden dazu genutzt Einflüsse auf ein Bild zu entfernen. Faltungen sind lineare verschiebungsinvariante Operatoren, d.h. ihr Einfluss ist unabhängig vom Ort ihres Einsatz. -Rauscheinflüsse sind meist ebenfalls Orts unabhängig. -Der Faltungsoperator kann auch dann bestimmt werden, wenn die Ursache der Störung unbekannt ist. Faltungen sind assoziativ, deswegen können die Faltungskerne ( z.B. Filtermasken ) mehrer Faltungsoperationen zusammengefasst werden. Methoden zur Bildverarbeitung

17 Seite 17 Korrelationen Korrelationen beschreiben Ähnlichkeiten zwischen Bildern. Zur Beschreibung der Ähnlichkeit wird die Kovarianz der Verteilungen der beiden Bilder genutzt. Da die Kovarianz kein perfektes Maß ist empfiehlt sich eine Normalisierung mit den beiden Varianzen der Verteilungen, wodurch sich der Korrelationskoeffizient ergibt. Die Korrelation entspricht einer Faltung mit einem um 180° gedrehten Kern. Methoden zur Bildverarbeitung

18 Seite 18 Kanten und Ableitungen Zur Bestimmung von Kanten wird das Bild als zwei dimensionale Funktion mit diskretem Wertebereich betrachtet. Zunächst werden die partiellen Ableitungen des Bildes bestimmt. Der Gradient des Bildes beschreibt den Intensitätsverlauf. Die Phasenverschiebung zwischen Gradient X und Gradient Y beschreibt die Richtung der entsprechenden Kante. Die Norm des Bildgradienten beschreibt die Stärke der Kanten. Methoden zur Bildverarbeitung

19 Seite 19 Korrelationen und Nathfolgeerkennung Referenzfilmvergleich mittels Kreuzkorrelation Nahtfolgeerkennung mittels Konturerkennung -Segmentierung von Laserspot und Naht und Berechnung des relativen Abstands zu einander. Geschwindigkeitsmessungen mittels Kreuzkorrelation -Aus der Verschiebung der Position einer Suchmaske im Bild bzw. mehrer Bilder wird die Geschwindigkeit des Prozesses bestimmt. Anwendungen in der Lasertechnik

20 Seite 20 Zählungen und Intensitätsverteilungen Zählungen von Pulververteilungen -Segmentierung der Pulverteilchen an den Düsen und Berechnung einer Normalverteilung der Düse. -Bei gleichen Mittelwerten und Varianzen ist eine gleichmäßige Pulvereinbringung gegeben. Intensitätsverteilungen beim Bohren -Annahme: Der übersteuerte Bildanteil entspricht den Reflektionen der Materialrückstände im Bohrloch. Anwendungen in der Lasertechnik

21 Seite 21 Fragen ?????

22 Seite 22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit