Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Stereoskopie mittels Spektralanalyse (Phasenbasiertes Stereo)

Aufgabenstellung

Die industrielle Fertigung verlangt immer stärker nach zerstörungsfreien Prüfverfahren, sowie 100%-Prüfungen, bei denen jedes gefertigte Produkt geprüft wird, anstatt nur Stichproben zu nehmen. Da moderne Fertigungsprozesse oft vollautomatisch und sehr schnell ablaufen, ist es fast unmöglich, eine solche Kontrolle durch menschliche Arbeitskräfte in einem ökonomischen Maß durchzuführen. Zudem treten beim Menschen nach einiger Zeit Ermüdungserscheinungen auf, die ein Nachlassen der Wahrnehmungsfähigkeit zur Folge haben. Die Lösung liegt in automatisierten Prüfverfahren, welche zuverlässig mit der gleichen Geschwindigkeit und Qualität prüfen können, in der gefertigt werden soll. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen relativ neuen Ansatz in der Stereoanalyse aufzugreifen und für die Echtzeitprüfung zu optimieren, um Tiefenkarten von Szenen erstellen zu können. Dieser Ansatz beschäftigt sich mit Stereoskopie im Frequenzraum, bei dem rektifizierte Stereobilder zeilenweise auf ihren Phasenverlauf überprüft werden. Die somit gewonnenen Phasenspektren können sehr effizient miteinander verglichen werden. Man erhofft sich durch die Eindeutigkeit der Phasenlage eine möglichst schnelle Berechnungszeit in der Korrespondenzfindung, welches einen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber anderen Verfahren mit sich bringen soll. Die Arbeit wird in zwei zeitliche Abschnitte unterteilt. Im ersten Teil wird ein Algorithmus entwickelt, der die o.g. Funktionalität zur Verfügung stellt. Dieser soll an Stereo-Testbildern der University of Middlebury verifiziert und kalibriert werden.

Im zweiten Teil wird der Algorithmus aus dem ersten Teil auf seine Praxistauglichkeit untersucht. Bei der ASENTICS GmbH & Co. KG wird ein Aufbau angefertigt, mit dem Stereobilder aufgenommen werden können. Anhand verschiedener Messreihen wird schließlich untersucht, ob das Verfahren tauglich für eine Anwendung in der industriellen Bildverarbeitung ist. Der entwickelte Algorithmus wird zudem nach dessen Fertigstellung in die agentenbasierte Bildverarbeitungsbibliothek von ASENTICS portiert. Deshalb ist darauf zu achten, dass klare Schnittstellen zwischen GUI und Fachkonzept, in welchem sich die eigentliche Programmlogik verbirgt, existieren.

Durchführung

Um eine phasenbasierte Korrespondenzanalyse zu ermöglichen, müssen die einzelnen Bildzeilen in einem Vorverarbeitungsschritt in den Ortsfrequenzraum überführt werden. Dies geschieht in dieser Arbeit sehr effizient mithilfe von lokalen Operatoren, welche die Bildzeilen mit einer angenäherten Sinus- und Kosinusfunktion falten. Durch die Faltung erhält man ein orthogonales Funktionensystem, welches eine Berechnung des aktuellen Phasenwinkels jeder Pixelposition ermöglicht. Danach werden die Phasenlagen beider Bilder miteinander verglichen. Die Differenz der Phasen entspricht der Disparität, welche für eine Berechnung der jeweiligen Entfernung notwendig ist. Trägt man die Phase und Amplitude in ein Polarkoordinaten-System ein, erhält man für jede Periode einen mehr oder weniger kreisförmigen Verlauf. Da eine Bildzeile in der Regel aus vielen Perioden besteht, ist eine Korrespondenzfindung auf diese Weise sehr schwierig. Deshalb wird in dieser Arbeit eine dritte Dimension eingeführt, welche die aktuelle Pixelposition repräsentiert und eine Separierung der Perioden zur Folge hat. In einem Zylinderkoordinaten-System entsteht eine Spirale, die eine Korrespondenzsuche erheblich vereinfacht.

Ergebnisse

Aktualisiert via XIMS am 10.11.2010 von M. Langer