Wie Bildverarbeitungs-Know-how einen Mehrwert für Industrie und Biomedizin bieten kann
Das Team der Steinbeis Qualitätssicherung und Bildverarbeitung GmbH kennt sich aus auf dem Gebiet der industriellen Bildverarbeitung. Mit der Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems hat es nun neue Möglichkeiten für Aufnahmen im Maschinen- und Anlagenbau sowie biologischen und medizinischen Bereich geschaffen.
Zusammenfassung des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens MINIMIZE; Bildquelle: Technische Universität Ilmenau
Im Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „Miniaturisiertes, ortsaufgelöstes, multispektrales, echtzeitfähiges Bildverarbeitungssystem“ (MINIMIZE) entwickelte das Ilmenauer Steinbeis-Team mehrere neuartige Systemkonzepte für die ortsaufgelöste videofrequenzfähige Erfassung von multispektralaufgelösten Bildinformationen mit unterschiedlichen spektralselektiven Kanälen für industrielle und biomedizinische Anwendungen. Eine wichtige Rolle spielten dabei auch die Berücksichtigung und Kombination von Beleuchtung, Optik, orts- und multispektral auflösendem Sensormodul und Elektronik sowie Modellbildung und Algorithmen.
Ein Blick durch „technische Augen“
Die ortsaufgelöste multispektrale Bildinformationsaufnahme, -verarbeitung und -auswertung ist die logische, methodische und technische Weiterentwicklung der „technischen Augen“. Heutzutage sind in nahezu jeder Kamera drei spektralselektive Filter für die ortsaufgelöste Farbbildaufnahme vorhanden, in absehbarer Zeit wird es dann mehrere spektralselektive Filter für die ortsaufgelöste Spektralbildaufnahme geben. Bei der Entwicklung von MINIMIZE erzielte das Team um Steinbeis-Unternehmer Steffen Lübbecke wesentliche wissenschaftliche und anwendungsrelevante Ergebnisse, um den Durchbruch und die Anwendung dieser Technologie zu befördern. „Es ist wichtig, dass der Standort Deutschland mit ausgewählten kleinen und mittleren Unternehmen sowie Forschungseinrichtungen als Leuchtturm für die photonische Messtechnik und Qualitätssicherung weiter gestärkt wird“, sagt Steffen Lübbecke.
Ganzheitliche Betrachtung des Systemkonzepts
Für die Beleuchtung einer Bildszene wurde eine spezielle LED-Beleuchtung mit Nahinfrarot-Fluorophoren entwickelt, die die fehlenden Emissionswellenlängen von handelsüblichen LED-Beleuchtungen für den Arbeitsbereich der entwickelten Hardwaremodule ausgleicht. Diese Beleuchtungslösung kann aufgrund ihres geringen Energiebedarfs direkt in das Systemkonzept für die orts- und spektralaufgelösten Bildaufnahmen von Hautoberflächen integriert werden. Um die Bildinformation auf dem orts- und multispektral auflösenden Sensormodul abbilden zu können, entwickelten die Steinbeis-Experten gemeinsam mit Partnern im Forschungsvorhaben eine spezielle miniaturisierte Wechseloptik, die durch ein apochromatisches Design und bildseitige Telezentrie eine Minimierung der winkelbasierten Wellenlängen- und Amplitudenabweichung bei der Abbildung der Bildszene bewirkt. Im Zuge dessen entstand auch ein effizientes Hardwaremodul mit einem zusätzlich implementierten, hochparallelen integrierten Schaltkreis, mit dem komplexe Vorverarbeitungsoperationen direkt durchgeführt werden können. Um das zu ermöglichen, war wiederum die Entwicklung eines modellbasierten Datenverarbeitungssatzes notwendig, der physikalisch bedingte, zufällige Messabweichungen minimiert und systematische Messabweichungen, hervorgerufen durch Beleuchtung, Optik sowie ein orts- und multispektral auflösendes Sensormodul, kompensiert. Dadurch konnten ebenfalls additive Rauschprozesse reduziert und die räumliche sowie spektrale Unterabtastung im Rahmen der Systemmöglichkeiten algorithmisch korrigiert werden.
Mehrwert für Industrie und Biomedizin
Die Arbeit der Steinbeis Qualitätssicherung und Bildverarbeitung GmbH hat auch einen praktischen Mehrwert: Forschungsbegleitend entstanden zwei Verifizierungs- und Validierungssysteme für industrielle und biomedizinische Anwendungen. Bei der industriellen Anwendung handelt es sich um die Integration des zu entwickelnden Sensorsystems in ein optisches Rohrprüfsystem zur Wassertropfen-Detektion. Im biomedizinischen Bereich stand die Integration in ein handgeführtes opto-digitales Dermatoskop im Fokus.
Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „Miniaturisiertes, ortsaufgelöstes, multispektrales, echtzeitfähiges Bildverarbeitungssystem“ (MINIMIZE) wurde durch Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Photonik Forschung Deutschland durch die Bekanntmachung „Digitale Optik“ unterstützt. Die Verbundprojektpartner waren die Steinbeis Qualitätssicherung und Bildverarbeitung GmbH (Koordinator), die Technische Universität Ilmenau mit dem Fachgebiet Qualitätssicherung und Industrielle Bildverarbeitung, die Tailorlux GmbH (Münster), FotoFinder Systems GmbH (Bad Birnbach) und die Lensation GmbH (Karlsruhe).
Kontakt
Steffen Lübbecke (Autor)
Steinbeis Qualitätssicherung und Bildverarbeitung GmbH (Ilmenau)
www.sqb-ilmenau.de
Paul-Gerald Dittrich (Autor)
Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau
Fachgebiet Qualitätssicherung und Industrielle Bildverarbeitung (Ilmenau)