SE511985C2 - Topografisk bestämning av en av infallande ljus belyst yta - Google Patents

Description

15 20 25 30 5 l 'l 9 8 5 2 Enligt en betraktelse av uppfinningen registreras intensiteten (dvs. effekten per ytenhet) av endast diffust reflekterat ljus hos de båda bilderna, och bestäms en skillnad mellan de regist- rerade intensiteterna av det diffust reflekterade ljuset hos de första och andra bilderna för erhållande av en representation av ytans lutningsvariationer.

Om skillnaden norrneras genom division med summan av intensiteterna erhålls en kvot som är väsentligen direkt proportionell mot ytans lokala derivata.

Derivatan används i sin tur för beräkning av ytans höjdfunktion.

Insikten som ligger till grund för uppfinningen är att ljusheten hos ett topografiskt ytelement beror såväl av dess diffusa reflektans som dess vinkel i förhållande till belysningen. Om man upptar bilder av ytan med olika belysningsvinklar, så kommer dessa att skilja sig åt på grund av ytans topografi, men inte på grund av skillnader i diffus reflektans. Detta kan en- ligt uppfinningen utnyttjas i bildanalysoperationer som särskiljer topografin från reflektan- SCII.

KORTFATTAD RITNINGSBESKRIVNING Uppfinningen beskrivs mer i detalj med hänvisning till bifogad ritning, på vilken FIG. 1 schematiskt visar ett arrangemang för bildregistrering enligt uppfinningen; FIG. 2 visar motsvarande FIG. 1 en modell som grund för bearbetningen av de registrerade bilderna; FIG. 3 visar i diagramforrn ett förenklat exempel på bearbetning av en registrerad bild en- ligt uppfinningen; FIG. 4A och B visar bilder av en djuptyckt provyta registrerade genom belysning från vänster resp. höger hos ett arrangemang enligt FIG. 1; FIG. 5 visar reflek- tans hos provytan enligt FIG. 4; FIG. 6 visar derivatan hos provytan i FIG. 4; FIG. 7 visar topografin hos provytan i FIG. 4; FIG. 8 visar en bild av provytan enligt FIG. 4 med ni- våkurvor representerande -1 um; FIG. 9A och B visar i större skala en reflektansbild resp. en topografisk bild av en med tryckpunkter försedd provyta; och FIG. 10 visar profiler av en provyta uppmätta mekaniskt resp. med ett arrangemang enligt uppfinningen. “t =SPB\\/OL3“.users* SLïDOK“NVord-dokiiUïfi l SEOOUOC 10 20 30 b J *JJ BESKRIVNING Av UTFÖRINGSEXEMPEL I arrangemanget enligt FIG. 1 visas principen för uppfinningen. En provyta 1, som i de beskrivna exemplen är en pappersyta med en typisk area om 5x5 mm, belyses av en första ljuskälla 2 och av en andra ljuskälla 3 anordnade i två inbördes motsatta riktningar. Ljus- källorna 2 innefattar halogenlampor med belysningsoptik. En kamera 4 av CCD-typ detekte- rar och registrerar via en dator 5 intensiteten av det reflekterade ljuset.

Datorn 5 är företrädesvis försedd med känd maskin- och programvara för bildbehandling.

Tidsätgàngen för analys av en bild med en upplösning om 512x512 bildpunkter är för närva- rande ca 10 s med en 400 MHz standard-PC. Den matematiska analysen har genomförts med MATLAB® programvara.

Uppfinningen baseras på detektering av diffust ljus. Spekulära reflexer från provytan kan elimineras i det visade exemplet medelst inbördes korsade polarisatorer 6 och 7. Närmare bestämt kan mellan provytan 1 och varje ljuskälla 2, 3 placeras en polarisator 6 och mellan provytan 1 och kameran 4 placeras en därtill korsad polarisator 7, på sådant sätt att belys- ningsljuset polariseras parallellt med infallsplanet och det reflekterade ljuset polariseras vin- kelrätt därtill.

Med hänvisning till FIG. 2 är intensiteten hos det infallande ljuset proportionell mot cos(a), där ot är belysningsljusets infallsvinkel mot ytan 1. För det diffust spridda ljuset antages Lamberts lag vara giltig. Enligt denna är radiansen lika i alla riktningar. Därför gäller för den av kameran 4 detekterade intensiteten att I = Io R cos(ot) [1] där R är reflektansen och Io is den registrerade intensiteten när R = cos(ot) = 1.

Genom skalär multiplikation erhålls värdet för cos(ot) som “ÄSPB*NOLBXUSCrsiSljiDOK Word-d0k'\P3375lSEO0.tl0C 10 15 20 30 f' 4 4 O 0 ä' Û I I J' i) Ö 4 51mm i + wsm cosqa) = a-n/ln1= [z] +l vx fw där a är belysningsvektorn [sin(y),O,-cos(y)] och n är ytnormalen [øY/åx, cï/åjvg-H.

Om två bilder Ii och Iz, med y: = -q/i, registreras, FIG. 4A, 4B , kan den partiella derivatan df/(bc beräknas med ledning av [1] och [2] som ¿7'_1 -Eç-tany 1,+1¿ I,-I, Detta uttryck är oberoende av reflektansen. Ett exempel på en derivata, beräknad med led- ning av bilderna i FIG. 4A, B, visas i FIG. 6, där derivatan har kodats som en gråskalebild.

För att erhålla provytans höjdfunktion, behöver derivatan integreras, men eftersom bilderna innehåller brus, behöver vissa spatiala frekvenser integreras med försiktighet. Därför bör företrädesvis derivatan Fouriertransformeras och multipliceras med ett s.k. Wienerfilter: H., H' - [4] 1H,; +.s.\R(u,\») som utför integreringen med undertryckande av spatiala frekvenser u och v, vilka har ett förväntat lågt signal-brusförhâllande SNR. Ytans frekvenssvar H: innefattar både den parti- ella derivatan (i form av 2zriu) och det i materialet spridda ljuset. För närmare beskrivning av ett Wienerfilter hänvisas till Pratt, W. K., (1978), Digital Image Processing, Wiley, New York, 378-387. Ytfunktionen, som visas i FIG. 7, likaså kodad som en gråskalebild där lägre ytområden har en mörkare ton än höga ytområden, erhålls genom invers transforma- tion av produkten.

Provytans lokala reflektans, som tillhandahåller information om pätryckets täckningsgrad. erhålls approximativt som summan av bilderna, Ii och 1:. se FIG. 5.

För att underlätta förståelsen av uppfinningen, visas på FIG. 3 A-G en förenklad endimen- sionell "digital" betraktelse av en typisk bildbehandlingsoperation.

\\SPB\\/OL3l~users^~ S1.\DOK\Word-dok\P3375 l SE00.doc 10 15 25 Ut (TI .__S ...à \ fï \- d i FIG. 3 A visar den provyta vars topografi f(x) skall undersökas. Ytan har i detta fall ett pâtryckt regelbundet mönster.

När ytan belyses med strykljus frân vänster erhålls enligt FIG. 3B till följd av variationer i såväl reflektans (mönstret) som topografi, en intensitetsvariation i det diffust reflekterade ljuset. Jämför även motsvarande bild eller grafiska representation i det tvådímensíonella fallet enligt FIG. 4A där intensitetsvariationen motsvaras av variation i gråskala.

När ytan belyses med strykljus från höger erhålls pà motsvarande sätt enligt FIG. 3C en ny intensitetsvariation lz(x) i det diffust reflekterade ljuset. Jämför även motsvarande bild i det tvâdimensionella fallet enligt FIG. 4B.

Beräknas skillnaden, Ii(x) - Iz(x) mellan intensiteterna, erhålls enligt FIG. 3D en variation som framhäver topografiska variationer (reflektansvariationerna undertrycks delvis men ej helt), dvs. variationer i ytans lutning.

Beräknas summan Ii(x) + I1(x) av intensiterna erhålls enligt FIG. 3E en variation som vä- sentligen endast beror av reflektansvariationer, medan de strukturella eller topografiska va- riationerna undertrycks. Med andra ord erhålls ytans färgfördelning, tex. förekomst eller inte förekomst av pátryck. Jämför även motsvarande bild i det tvàdimensionella fallet enligt FIG. 5.

Beräknas kvoten (Ii(x) - Iz(x))/( Ii(x) + Iz(x)), dvs den normerade skillnaden mellan inten- siteterna, erhålls enligt FIG. 3F en variation som väsentligen endast beror av topografiska variationer, dvs. variationer i ytans lutning.

Kvoten används för beräkning av derivata FIG. 3F l _I,(x)-I3(x) tany I.|(x)+ l1(x) ytans enligt som f.'(X) = IXSPBXVOLÉ ~users\SL'«.DOK\\Å”ord«1ok\P3375 l SENLIOC lÛ 15 20 25 30 6 där liksom tidigare y = belysningsljusets infallsvinkel. Jämför även motsvarande bild i det tvådimensionella fallet enligt FIG. 6. I det tvådimensionella fallet blir derivatan på motsva- rande sätt 1 1|(X.~y)_[3(x»,V) f. (m) s TW . [I (XJ) + un” Integreras derivatan, företrädesvis med ovan beskriven samtidig anpassad brusundertryck- ning, erhålls ytans topografi enligt FIG. 3G. Jämför även motsvarande bild i det tvâdirnen- sionella fallet enligt FIG. 7.

Som framgår av det föregående kan, förutom den rena topografiska bestämningen (FIG. 7) av en yta, uppfinningen sålunda även användas för samtidig bestämning av ytans reflektans (FIG. 5) i samma koordinater. Därmed kan intressanta samband mellan ytstruktur och färgöverföring studeras i detalj. På reflektansbilden i FIG. 5 har i FIG. 8 genom tröskelope- ration i den bildanalyserande datorn 5 införts nivåkurvor motsvarande ett djup om -l um från en glidande referensnivå, vilket kan förklara varför tryckpunkter saknas i partier av tryckområdet. På provytan enligt FIG. 9A och B har på motsvarande sätt undersökts om ett bestämt djup hos försånkningarna (Lex. mörka partier i vänstra övre delen av topografikar- tan FIG. 9B) i ytan kan motsvara utebliven färgöverföring (uteblivna färgpunkter i FIG. 9A i de partier som är mörkast i FIG. 9B). Detta kan inom trycktekniken utnyttjas som en för- utsägelse om på vilka ställen missade tryckpunkter kan förväntas.

Det har därvid visat sig att s.k. rak tröskelsättning i topografin ej fungerar så bra. Om man däremot högpassfiltrerar topografin så att långvågig information undertrycks och därefter applicerar en tröskel på -lum, dvs. i praktiken tröskling relativt en glidande referensnivå. så markeras områden som har hög sannolikhet för utebliven färgöveröverföring, se FIG. 8.

Av detta kan man alltså lära sig mer om hur ytråhet skall mätas på ett tryckbarhetsrelevant sätt. Metoden har också gett intressanta resultat för fulltonsytor tryckta i flexo (ej visat).

De tvâ bilderna behöver ej nödvändigtvis registreras vid skilda tidpunkter. Exempelvis kan med det beskrivna arrangemanget enligt FIG. l den ena bilden registreras i ett första ljusvåglängdsområde och den andra bilden från samma kamerapunkt samtidigt registreras i SPBXVOLB .users-SL '.DOK'~.Word-dok\P3375 l SE00.doc 10 C [i 1"' z i; f) 7 Ö i i ett andra, till det första vâglängdsorrirådet komplementärt eller skilt våglängdsområde (ej visat) om de två belysningarna använder skilda våglängdsoinráden. Därigenom erbjuds möj- lighet att registrera förlopp då provytan, t.ex. ett område av en pappersbana under produk- tion, befinner sig i rörelse.

Analyser enligt uppfinningen av provstycken av LWC-papper har visat god korrelation, r2=0,95, mellan profiler bestämda enligt uppfinningen och profiler bestämda enligt konven- tionella optiska eller mekaniska profilmätmetoder. I det i FIG. 10 visade diagrammet anger den heldragna kurvan profilen bestämd enligt uppfinningen, medan den streckade kurvan anger samma profil hos samma pappersremsa bestämd genom en mekanisk kontaktmätme- tod. “ÅSPBEVOLIlusers\SLEDOKïVJord-dok\P3375 l SEOOJZIOC

Claims (13)

lO 15 20 30 5 ”l ”i 9 15 8 PATENTKRAV

1. l. Sätt att bestämma en av infallande ljus belyst yta genom registrering av inten- siteten (li(x,y')) i reflekterat ljus från ytan hos en första bild därav och registrering av inten- siteten (Iz(x,y)) i reflekterat ljus från ytan hos en andra, till den första bilden komplementär bild därav upptagen med annan belysningsvinkel, k ä n n e t e c k n a t av registrering av intensiteten av endast diffust reflekterat ljus över ytan hos de båda bilderna, och bestämning av en skillnad mellan de registrerade intensiteterna av det diffust reflekterade ljuset över ytan hos de första och andra bilderna för erhållande av en represen- tation som framhäver lutningsvariationer hos ytan. iQ

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att skillnaden normeras för er- hållande av en en reflektansneutral bild som representerar lutningsvariationer, dvs. en deri- vata av ytans höjclfunktion. kännetecknat

3. Sätt enligt krav 2, av att skillnaden normeras genom division med en summa (I1(x,y)+l1(x,y)) av de registrerade intensiteterna över ytan.

4. Sätt enligt [något] krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att summan (li(x,y)+l:(x,y)) av de registrerade intensiteterna över ytan används för erhållande av en väsentligen topografiskt neutral reflektansbild av ytan.

5. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att intensite- ten hos den första bilden registreras med ljus infallande från en första riktning och att inten- siteten hos den andra bilden registreras med ljus infallande från en andra, till den första riktningens reflektionsvinkel motsatt riktning.

6. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av beräkning av ytans derivata genom l 1,(.ic.,v)-I2(x.y) 'fiixiyö z tßni/ 1l(X-y)+ MXJ) 'i\SPB\VOL3\users\.SL\DOK*.\Vord-dok\ P3375 l SE00.doc 10 O. f" 1 k) i) där y är ljusets infallsvinkel.

7. Sätt enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av Fouriertransformation av deri- vatan och multiplikation därav med ett Wienerñlter för undertryckning av brus i de registre- rade intensiteterna.

8. Sätt enligt krav 6 eller 7, k ä n n e t e c k n a t av integrering av derivatan för erhållande av ytans höjdfunktion.

9. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e e k n a t av polarisering av det infallande ljuset och därtill korsande polarisering av det reflekterade ljuset för att eliminera reflexer i ytan och erhålla nämnda diffust reflekterade ljus.

10. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att den första bilden registreras med ljus i ett första ljusvâglängdsområde och att den andra bilden regist- reras med ljus i ett andra, från det första ljusvåglängdsorrtràdet skilt ljusvåglängdsomrâde.

11. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att den första bilden regist- reras genom belysning med ljus av en första frekvens, och att den andra bilden registreras genom belysning med ljus av en, från den första frekvensen avvikande frekvens.

12. Sätt enligt krav 10 eller 11, kännetecknat av attdenförstaoch den andra bilden registreras samtidigt.

13. Användning av ett sätt enligt nagot av föregående krav för topografisk bestäm- ning av en pappersyta. 'tXSPBXVOL3".usersïSL”.DOKïVVord-d0k\P3375 ISEOOdOC