MVTec Software GmbH
 

Bildverarbeitung für den guten Blick

Stellen Sie sich vor, Sie sind Brillenträger und brauchen eine Gleitsichtbrille. Sie gehen zum Augenoptiker, und ohne vorhergehende aufwendige Messungen betrachten Sie sich - die von Ihnen ausgewählte Fassung auf der Nase - in einem Spiegel. Und das war’s.

Abb 1: Das Prinzip der Stereokameratechnologie: In einem kalibrierten System ist die geometrische Beziehung der Koordinatensysteme von Zentralkamera und Seitenkamera im „Triangulationsdreieck“ bekannt.

Abb 2: Die Pupillen werden von der Bildverarbeitungssoftware gefunden. Entscheidendes Kriterium sind dabei die drei Beleuchtungs-Reflektionen um die Pupille herum. Die Positionskreuze werden von der Software gesetzt.

Abb 3: Bild der Seitenkamera: Die Koordinaten der Zentralkamera werden transformiert und auf das Bild der Seitenkamera übertragen. Der Optiker kann später die Marken zur Positionierung der Pupillenmitte und der Glasränder noch per Hand verändern.

Die international tätige Rodenstock GmbH hat ein Service-Terminal für Augenoptiker entwickelt, das die Anpassung einer Brille in Bezug auf die individuellen Parameter und Zentrierdaten in einer völlig ungezwungenen Atmosphäre erlaubt (Abb.2). Der ImpressionIST, so der Name des Beratungshelfers, erfüllt vier Forderungen auf einmal: Interaktives Info-Terminal für den Kunden, Fassungsberatung und -präsentation, 3D-Videozentriersystem und Brillenglasberatung, gerade für individuelle Brillengläser. Das Gerät soll den Verkaufsvorgang insgesamt hochwertiger gestalten. Es ist also vor allem ein Instrument, das dem Marketing dienen soll, bei dem also der Mensch und Kunde im Mittelpunkt steht. Das stellt an die Technik ganz andere Anforderungen, nämlich sich den ästhetischen Gesichtspunkten unterzuordnen.

Das 3D-Videozentriersystem ist von Rodenstock zum Patent angemeldet und bildet das technische Herz der Anlage. Um den Messvorgang für den Kunden möglichst zwanglos und angenehm zu gestalten, sollte die Vermessung während eines Blicks aus 75 Zentimeter in den Spiegel geschehen, also in einem Moment, wo der Kunde in einer für ihn gewohnten Situation relativ entspannt und damit für die Messung optimalen Körperhaltung befindet. Das Messsystem ist für den Kunden nicht sichtbar hinter dem halblichtdurchlässigen Spiegel angebracht. Aus den beiden Bildern kann der Optiker am Terminal anschließend entweder direkt gemeinsam mit dem Kunden, also nachvollziehbar, die Auswertung vornehmen oder sie später allein durchführen.

 

Bildverarbeitung

Die Bilder werden von zwei Kameras (ALLIED Vision Technologies, Typ Marlin) simultan erfasst. Ein Bild erfasst das Gesicht frontal, ein weiteres Bild von der Seite unten, was dem Kunden auch bei der späteren Betrachtung der Bilder ein gutes und erhabenes Gefühl vermitteln soll. Da der Kunde sich selbst sieht, müssen die Bilder nicht nur aus Sicht der Bildverarbeitung besonders geeignet, sondern auch von hoher ästhetischer Qualität sein.

Anschließend werden die Bilder mit einem Bildverarbeitungsprogramm unter der Software-Bibliothek HALCON von MVTec bearbeitet. HALCON stellt einige konkurrenzlose Technologien bereit, die im Fall ImpressionIST von großem Vorteil sind. Das war der Grund, HALCON für diese spezielle Aufgabe auszuwählen. HALCON verfügt als einzige Standard-Software für Bildverarbeitung über eine 3D-Kamera-Kalibrierung, die als Ergebnis Weltkoordinaten liefert, also echte Raumkoordinaten. Über die Aufnahme einer Kalibrierplatte können sowohl die inneren als auch die äußeren Kameraparameter bestimmt werden. Das ist für die Bestimmung der individuellen Parameter und Zentrierdaten des Kunden zum Einschleifen der Gläser absolut notwendig.

Aus den synchron erstellten Aufnahmen der beiden Kameras werden als erstes die Pupillenmittelpunkte bestimmt. Dabei ist das Zusammenspiel von Kameraanordnung, Beleuchtung und Reflexfindung auf der Hornhaut wesentlich. Zwar ist die Bildverarbeitung durchaus in der Lage, die Mittelpunkte der Pupillen in den meisten Fällen exakt zu finden. Doch nicht kalkulierbare Spiegelungseffekte auf Modellbrillengläsern können in Einzelfällen die Pupillen nicht geortet werden. Daher bleibt die letzte Entscheidung der Justierung beim Augenoptiker.

Zuerst wird die Justierung am Bild der zentralen Kamera am Bildschirm vorgenommen. Ein Positionskreuz, das von der Bildverarbeitung automatisch über die Pupillenmitte positioniert wird, kann vom Optiker unter Zuhilfenahme des Zooms nachjustiert werden. Die Ränder der Brillengläser werden durch Selektion über die Kanten der Glasvorderflächen ermittelt. Wo sich die Verlängerungen der Linien des Pupillenkreuzes mit den Scheibenrändern treffen, werden wiederum Positionskreuze gesetzt. Auch diese können nachjustiert werden, was aber nur entlang der Pupillenkreuz-Geraden möglich ist. Anschließend werden diese Selektionen auch für das seitliche Kamerabild ausgeführt. Außerdem werden alle bereits justierten Positionskreuze des zentralen Kamerabilds auf das seitliche Kamerabild projiziert. Nun können die Positionskreuze ineinander überführt werden.

Nachdem der Augenoptiker das Okay gegeben hat, werden die 3D-Raumkoordinaten der korrespondierenden Positionskreuze unter Berücksichtigung der Kalibrierung berechnet. Dadurch lassen sich alle Parameter zur Herstellung der Brillengläser räumlich exakt beschreiben. Für den Optiker sind das monokulare Pupillendistanz, Hornhautscheitelabstand, Vorneigung, Fassungsscheibenwinkel, Zentrierhöhe, Dezentration des Zentrierpunktes, Kastenmaß (Scheibenlänge und -höhe), Abstand zwischen den Gläsern, Scheibenform und kleinstmöglicher Durchmesser der Rohgläser. Alle Parameter werden in einem Ergebnisprotokoll mit Bildern festgehalten. Dieses Protokoll ist direkt für die Verwendung zur Werkstattarbeit optimiert.

Nach zahlreichen Vergleichsmessungen durch Rodenstock mit anderen Zentriersystemen oder Handvermessungen konnte bestätigt werden, dass die Genauigkeit für Messung und Berechnung des 3D-Videozentriersystems sehr hoch liegt. Dies gilt sowohl für die technische Absolutgenauigkeit als auch für die Wiederholgenauigkeit, die von der habituellen Positionierung des Kunden abhängt. Die Reproduzierbarkeit bei der Messung mit dem ImpressionIST ist etwa um das 1,5 fache besser als bei einer Messung mit freiem Blick in die Ferne.

Das Beispiel dieses 3D-Video-Zentriersystems unterstützt die Tatsache, dass die Software-Bibliothek HALCON in ihrer Verwendbarkeit hochflexibel ist und eben nicht nur zur industriellen Bildverarbeitung eingesetzt wird. Für Anwendungen im medizinischen Bereich - wie hier in der Augenoptik - ist HALCON optimal, weil sich in höchster Präzision Messungen durchführen lassen, die ansonsten nicht möglich wären.

 

Autor: Dr. Lutz Kreutzer

 

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