Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2013 SS ... · 1 Warum noch eine zusätzliche Technik? (3) Einsatz der Endoskopie (gr. für innen beobachten) Endoskop während Prüfung

Technische Universität München

Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK)Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK)2013 SS2013 SS

Techniken der EndoskopieTechniken der Endoskopie

Studentische Ausarbeitung

von

Alexander Hanel

Photogrammetrie & FernerkundungProf. Dr.-Ing. U. Stilla

Alexander Hanel

InhaltInhalt

Techniken der Endoskopie

1 Warum noch eine zusätzliche Technik?

2 G dl d E d k i2 Grundlagen der Endoskopie

3 Verarbeitung endoskopischer Aufnahmen

4 Anwendungsbeispiele

5 Zusammenfassung

HANEL (2013-10-05) PAK: Endoskopie 2

1 Warum noch eine zusätzliche Technik? (1)1 Warum noch eine zusätzliche Technik? (1)

Typische Erschwernisse beim Vermessen…


…Sichtbehinderungen

Innengerüst im Hochbau


Nicht ganz alltägliche Erschwernisse beim Vermessen…

… Enge, oft längliche Hohlräume (z.B. im Kfz-Zylinder)

… Keine natürliche Beleuchtung

… Hohe Anforderungen an Genauigkeit

Visuelle Inspektion und Vermessung schwer zugänglicher Objekte

Gleichzeitig Vermeidung von Schäden und

Veränderungen am untersuchten Objekt

oder Körperteil

Keine Röntgenstrahlung


Keine Röntgenstrahlung

Keine Magnetresonanz

Kein Freilegen des Objektes

Zylinderwand, [Wikipedia, 2013]


Einsatz der Endoskopie (gr. für innen beobachten)

Endoskop während Prüfungeines Kfz-Zylinders[Wikipedia, 2013]


ABER: Besonderheiten bei Bildauf-

nahme und -auswertung zu beachten

Unkorrigierte Rohaufnahme eines Endoskops

[Steiner, 2013]

InhaltInhalt

2 Grundlagen der Endoskopie

2.1 Was sind Endoskope?

2.2 Lichtquelle und Lichtleiter

2 3 Bildl i2.3 Bildleiter

2.4 Zusammensetzung der Hauptbestandteile

2.5 Abgrenzung der Endoskop-Varianten


2.1 Was sind Endoskope?2.1 Was sind Endoskope?

Def.: Optische Instrumente zur visuellen Inspektion eines Innenraums

Passende Form: rund, dünn, länglich

Zwei Arbeitswege: Licht hinein

Bild heraus

Variante: Spitze kann abgewinkelt werden größerer Sichtbereich

Flexibler BereichBildleiter

Szene

Kamera mit CCD-Sensor

Proximales Ende

(Okular)

TV-Adapter

Distales Ende

(Optik)


Schematischer Aufbau eines flexiblen Endoskops [Winter, 2008]

KunststoffmantelLichtquelleLichtleiter

2.2 Lichtquelle und Lichtleiter (1)2.2 Lichtquelle und Lichtleiter (1)

Lichtquelle

Schwierigkeit: Schwache Beleuchtung, geringe Eindringtiefe des Lichts

Platzierung leistungsstarker Lichtquelle außerhalb des Endoskops

Anschluss an Lichtleiter

Ausführung

Xenon: sehr hell; aber starke Emission von IR-Strahlung

Alternative für IR-arme Anforderungen: Blitzlichtgeneratoren


Szene

Proximales Ende

(Okular)

Distales Ende

(Optik)




2.2 Lichtquelle und Lichtleiter (2)2.2 Lichtquelle und Lichtleiter (2)

Lichtleiter

Übertragung des Lichts zum distalen Ende

Kegelförmiger Austritt an Instrumentenspitze

Häufig mehrere Lichtleiter für gleichmäßigere Ausleuchtung

Ausführung

Glasfaser

Linsen

Flüssigkeit


Szene

Distales Ende

(Optik)

Proximales Ende

(Okular)




2.3 Bildleiter (1)2.3 Bildleiter (1)

Bildleiter: Rückübertragung von Abbildungen der untersuchten Objekte zum proximalen Ende

Linsensystem

A d h Li hi i d i E d k kö Anordnung mehrerer Linsen hintereinander im Endoskopkörper

Ausführung

Stablinsen

Dünne Linsen

Starres LinsensystemSzene

Proximales Ende

(Okular)

Distales Ende

(Optik)


Schematischer Aufbau eines starren Endoskops [Winter, 2008]



Glasfaser

Kohärentes Faserbündel (im Gegensatz zum Lichtleiter!)

Kamera bzw. CCD-Chip am proximalen Ende der Fasern auf Okular aufgesetzt

I l i d i l F i d V id Isolation der einzelnen Fasern gegeneinander zur Vermeidung von Lichtübertritt

Auflösung abhängig von Faserzahl

Ausführung

Glas

Quarz


Geordnetes Faserbündel [Vettori, 1998]


Elektronische Leitungen

Elektronische Leitungen zur Signalübertragung an proximales Ende

CCD-Chip an Instrumentenspitze (distales Ende)

Auflösung abhängig von Pixelzahl


Videoendoskop [Wikipedia, 2013]

2.4 Zusammensetzung der Hauptbestandteile (1)2.4 Zusammensetzung der Hauptbestandteile (1)

Bildleiter

Distales E d

Kunststoffmantel

Flexibler BereichSzene

Proximales Ende

(Okular)

Ende (Optik)



Kunststoffmantel

Lichtquelle

Lichtleiter

2.4 Zusammensetzung 2.4 Zusammensetzung der Hauptbestandteile (2)der Hauptbestandteile (2)

Distales E d

Kunststoffmantel

Flexibler BereichSzene

Proximales Ende

(Okular)

Ende (Optik)

Bildleiter

LichtleiterLichtquelle



Kunststoffmantel

2.5 Abgrenzung der Endoskop2.5 Abgrenzung der Endoskop--Varianten (1)Varianten (1)

Linsenoptische Endoskope

System aus mehreren hintereinander positionierten Linsen

Nicht biegbar

Glasfaserendoskope

Glasfaser zur Licht- und Bildübertragung

Wechselbare Kamera am proximalen Ende

Flexibel

Videoendoskope

Elektronische Leitungen zur Bildübertragung


Fest verbaute CCD-Kamera am distalen Ende

Flexibel

2.5 Abgrenzung der Endoskop2.5 Abgrenzung der Endoskop--Varianten (2)Varianten (2)

Kapselendoskope

Bildaufnahme und Datenübertragung durch Kapsel

Gleiche Bestandteile wie Endoskop, zusätzliche Batterie

Medizin: Kapsel wird geschluckt und durchwandert Körper

Virtuelle Endoskope

Generierung von 3D-Daten durch moderne Scanner (z.B. CT, MRT)

Rekonstruktion von Organsystemen

Virtuelle Navigation durch künstlichen

Körper


Virtuell-endoskopischer Blick in menschliches Gehirn

[Bartz, 2003]

2.5 Abgrenzung der Endoskop2.5 Abgrenzung der Endoskop--Varianten Varianten –– VorVor--/Nachteile/Nachteile

Linsenoptische Endoskope

Größere Bauform der Kamera möglich sehr hohe Auflösung im Vergleich zu anderen Endoskop-Varianten

Hoher Fertigungsaufwand

Glasfaserendoskope

Gute Farbwiedergabe durch großen CCD-Chip Vermeidung von Artefakten wie bei Videoendoskopen

Geringerer Durchmesser als bei elektronischer Bildübertragung

Relativ geringe Faserzahl niedrige Auflösung

Vid d k


Videoendoskope

Hohe Bruchsicherheit

Größerer Ausschnitt der abgebildeten Szene als bei Glasfaserendoskopen

Notwendigkeit der elektrischen Isolation der einzelnen Leiter

InhaltInhalt

3 Verarbeitung endoskopischer Aufnahmen

3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder

3.2 Kalibrierung

3 3 Bild i3.3 Bildrestaurierung


3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder 3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder -- Aufbau einer FaserAufbau einer Faser

Längsschnitt durch eine Glasfaser

Schematischer Aufbau

Lichtstrahl

mit

einer Einzelfaser[Janßen, 2000]

Faserkern mit Brechungsindex kn

Mantel

Medium am untersuchten Objekt z.B. Luft


Eintrittswinkel in die Faser (Austrittswinkel analog)

Winkel der Reflexion am Kern-Mantel-Übergang

Kombination vieler Fasern Licht- bzw. Bildleiter (vgl. Abschnitt 2)

3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder 3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder -- Totalreflexion (1)Totalreflexion (1)

Prinzip der (inneren) Totalreflexion

Reflexion am Kern-Mantel-Übergang Licht bewegt sich im Faserkern

Bedingung: Einhalten des Grenzwinkels der Reflexion am Kern-Mantel-Übergang mit

G

Reflexion hängt ab vom Material von Kern und Mantel (über Brechungsindizes)

Zusammenhang zwischen Eintrittswinkel und Reflexionswinkel:

)arcsin( KMG nn

)arcsin())cos(arcsin( 022

0 nnnnn MKGKG


Eintrittswinkel hängt zusätzlich ab vom Brechungsindex des Mediums am untersuchten Objekt

3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder 3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder -- Totalreflexion (2)Totalreflexion (2)

Schlussfolgerung

Eintrittswinkel muss kleiner als Grenzwert sein mit

zu kleines führt zu Lichtaustritt aus Faser Faser nicht beliebig stark biegbar (Knick!)

T l fl i M F

G

4

etwa Totalreflexionen pro Meter Faser

durch Reflexion vergrößerte Weglänge des Lichts gegenüber geometrischer Länge der Faser

nur etwa 30-50% der Transmissivität von Linsensystemen aufgrund von Verlusten bei der Reflexion

410


3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder 3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder -- EinflussgrößenEinflussgrößen

Spektrale Transmission

Definition: transmittierte pro einfallende Strahlung

abhängig von Absorption im Kernglas und Totalreflexion, Verlust beim Ein- und Auskoppeln des Lichts in die Faser

tT )(

Durchmesser:

Ummantelung und Kernradius abhängig von Wellenlänge des übertragenen Lichts ( Totalreflexion)

minimal 2 μm, für sichtbares Licht 6-15 μm

Numerische Apertur

Kenngröße für die Menge des transportierten Licht

NA


Kenngröße für die Menge des transportierten Licht

abhängig von den Brechungsindizes und bzw. und mit Mn Kn22

0 )sin( MK nnnNA 0n

3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder 3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder -- Effekte (1) Effekte (1)

Wabenmuster

Ummantelung der Einzelfaser dunkler als Kernmaterial

Engmaschigeres Raster des CCD-Chips

Überabtastung im Vergleich zu Fasern

Wabenmuster im Bild sichtbar

Wabenform: hexagonal bei Glas-, unregelmäßig bei Quarzfasern

Geometrische Abbildungseigenschaften:

Wabeneffekt bei einer Glasfaseraufnahme[Winter, 2008]


Geometrische Abbildungseigenschaften:

Weitwinklige Optik mit Bildfeld 60-100°

Verzeichnung und Bildfeldwölbung

3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder 3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder -- Effekte (2) Effekte (2)

Geometrische Abbildungseigenschaften (cont.)

Verzeichnung tonnenförmige Verzerrungder abgebildeten Objekte

Abbild h d li h k Abbildung rechts: deutlich zu erkennen:Geraden werden gekrümmt abgebildet

Behebung durch Algorithmus möglich

Bildfeldwölbung: Bild wird auf gewölbterFläche abgebildet Unschärfe in Teilen

Verzeichnung[Winter, 2008]


Fläche abgebildet Unschärfe in Teilendes Bildes (Bildmitte oder Bildrand)

Abb.: „2“ (Mitte) scharf, „4“ (Rand) unscharf

Tritt sowohl distal als auch proximal auf

Behebung durch spezielle Linsenanord-nung oder gewölbten Sensor

Bildfeldwölbung [Wikipedia-2, 2013]

3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder 3.1 Charakteristika faseroptischer Bilder -- Effekte (3)Effekte (3)

Farbartefakte bei Ein-Chip-Kameras

Grundproblem bei Bayer-Sensor: ungleiche Abbildung eines Bildbereiches auf die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau

Farbartefakte

Besonders starke Ausprägung bei Faserbündel:

Abbildung einer Faser auf etwa 5x5 Sensor-

elemente (weißer Kreis in Abb. rechts)

Ungleichmäßige Ausleuchtung innerhalbeiner Faser (grün deutlich häufiger als rot, blau)

ungleich stimulierte Sensorelemente

verfälschte Farbinformation für die Faser


Farbfiltermosaik eines Bayer-Sensor[Winter, 2008]

Farbartefakte einer Glasfaseraufnahmenach [Winter, 2008]

3.2 Kalibrierung3.2 Kalibrierung

Notwendigkeit:

Starke Erhöhung der Kalibrierfehler im Vergleich zu herkömmlicher Bildaufnahme durch Überabtastung der Fasern

Starke Verzerrung durch geringe Brennweite der verwendeten Optiken

Ziel:

Schätzen von Kameraparametern zum Beschreiben der Abbildungseigenschaften bei der Bildaufnahme

Kameraparameter beschreiben Abweichung des physikalischen Modells einer realen Kamera vom idealen Modell einer Lochkamera

Verzeichnungsparameter

Innere Orientierung


g

Im weiteren Sinne auch: äußere Orientierung

Parameter werden über Aufnahmedauer als konstant angesehen

Entzerrung der Bilder anhand der berechneten Parameter

3.2 Kalibrierung 3.2 Kalibrierung -- Vorverarbeitung: Merkmalsextraktion (1)Vorverarbeitung: Merkmalsextraktion (1)

Ziel: Finden von Merkmalen zum Ableiten der Kameraparameter

Ansatz: Messen der Bildkoordinaten von Merkmalspunkten in mehreren Bildern

Bilder weisen bekannte, vordefinierte Merkmale auf

A M k l Arten von Merkmalen:

Markante Einzelpunkte

Kreuzungspunkte von Gittern

Ecken von Schachbrettmustern

Beispielansatz: Modellbasiertes Kleinste-Quadrate-Matching

Anpassen von 2D-Modellfunktion an Bilddaten


Modell beschreibt die räumliche Grauwertverteilung eines Merkmals

Mathematische Beschreibung durch Parameter

Schätzen der Parameter Subpixelgenaue Position des Merkmals

3.2 Kalibrierung 3.2 Kalibrierung -- Vorverarbeitung: Merkmalsextraktion (2)Vorverarbeitung: Merkmalsextraktion (2)

Intensitätsverteilung der Modellfunktion eines Gitter-Kreuzpunktes[Klar, 2005]

Kalibrierbild:

Endoskopisches Kalibrierbild[Klar, 2005]


Kästchen symbolisieren subpixel-genaue Position der Kreuzungspunkte

Unterschiedliche Größe und Form derKästchen aufgrund starkerperspek-tivischer Verzerrungen

3.2 Kalibrierung 3.2 Kalibrierung -- praxisorientierter Ansatzpraxisorientierter Ansatz

Elliptisches Verzeichnungsmodell (nach Andersson Technologies)

Annahmen

vereinfachte innere Orientierung: Bildmittelpunkt = Bildhauptpunkt

nur radiale Fehler, tangentiale vernachlässigt

M d ll i h t ( ) d t ( ) K di t~~ Modell zwischen verzerrten ( ) und unverzerrten ( ) Koordinaten

mit

Parameter zur Beschreibung des Verhältnisses der Sensorabmesssungen

Verzeichnungsparameter

v

uvu

v

u )(1 ~

~222

vu ~,~ vu,


Iterative Berechnung durch Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers

Schätzung für

2

),(~

~

),(~),(~

minarg

i

i

vui

i

v

u

vuv

vuu

v

u ,

3.2 Kalibrierung 3.2 Kalibrierung -- wissenschaftlich orientierter Ansatz (1)wissenschaftlich orientierter Ansatz (1)

Lineares Lochkameramodell

]|[ w

w

p

p Y

X

y

x

TRK Vertikaler Strich“: R und T werden

homogene Koordinaten

mit

Kalibriermatrix

Räumliche Rotationsmatrix

T l i k

1

]|[w

p

p Zw

y „Vertikaler Strich : R und T werden „nebeneinander gestellt“ und zu

einer Matrix kombiniert

KR


Translationsvektor

Homogene Bild- (links in Gleichung) und Weltkoordinaten (rechts)

Berechnung über Kleinste-Quadrate-Ausgleichung unter Minimierung der Diskrepanz zwischen Kameramodell und den Beobachtungen

T


Geschätzte Parameter (im linearen Fall)

Kalibriermatrix

0 y

x

c

cs

K pro Kamera

mit

Brennweiten in x- und y-Richtung bzw.

Pixelgröße in x- und y-Richtung bzw.

Hauptpunktkoordinaten

Verzerrung (Abweichung der Achsen von der Orthogonalität)

100

xpf ypf

xp yp

yx cc ,

s


Translationsvektor

Räumliche Rotationsmatrix mit 3 Drehwinkeln

Tzyx TTTT

),,( R

pro Bildpro Kamera


Nichtlineare Verzeichnung beim Lochkameramodell

Führen zu Veränderung der Bildkoordinaten gegenüber linearem Modell Maßstabsänderung

Radiale Verzeichnung

Bildmaßstab nimmt mit zunehmendem radialem Abstand von Verzerrungszentrum zu

charakteristische Eigenschaft aller Linsen mit begrenzter Blende

bis zu 30 Pixel am Bildrand

Fehlzentrierende (‚decentering‘) Verzeichnung


tangentiale und asymmetrische radiale Komponente

Resultiert aus Dezentrierung der Linse: vertikaler Versatz oder Verdrehung eines Linsenelements aus der idealen Ausrichtung (kollinear zur optischen Achse)

bis zu 3 Pixel am Bildrand


Nichtlineare Verzeichnung beim Lochkameramodell (cont.)

Zusätzliche Korrekturparameter („undistortion model“) zur Berechnung unverzeichneter Bildkoordinaten aus den gemessenen, verzeichneten Bildkoordinaten

Radiale Verzeichnungsparameter

uθ

kk Radiale Verzeichnungsparameter

Parameter zur Behebung der Fehlzentrierung

Zuschläge zu den verzeichneten Bildkoordinaten

Berechnung durch Polynomfunktion aus Korrekturparametern

unverzeichnete Bildkoordinaten

31 kk 31 tt

3131 ttkku θ


Schätzung der Korrekturparameter während Kalibrierprozess zugleich mit Parametern des linearen Modells

3.3 Bildrestaurierung (1)3.3 Bildrestaurierung (1)

Ziel:

Reduktion der Wabenstruktur hochfrequenter Signalanteil

Erhalt der Bildinformation niederfrequenter Signalanteil

Zwei Verfahren:

spektrale Filterung:

Maskenerstellung und –anwendung im Frequenzraum unter Berücksichtigung des Abtasttheorems

Trennung von Bild- und Wabenstruktur

Interpolation:


Bestimmung der Position von Fasern in den Bildern durch Vergleich mit Referenzbild mit homogenem weißen Hintergrund

Verwenden ihrer Intensitäten als Stützstellen

Rekonstruktion der Bildinformation durch baryzentrischeInterpolation im Ortsraum

3.3 Bildrestaurierung (2)3.3 Bildrestaurierung (2)

Rahmenbedingungen

Waben wirken sich primär auf Helligkeit aus Verwendung von Grauwertbildern

Wabenstruktur tritt periodisch auf Verarbeitung im Frequenzraum

Vor- und Nachteile

Spektrale Filterung

glattere Restaurierung

keine Artefakte an Kanten

Frequenzraum

Interpolation

bessere Korrektur von Farbstützstellen

Steigerung der Auflösung durch lokale Ergänzung von Bildinhalten

Ortsraum


gut geeignet zur räumlichen Rekonstruktion

Ortsraum

gut geeignet zur Texturierung von Rekonstruktionen

Kernelement der Bildrestaurier-ung mit Grauwertbild Ergänzende Möglichkeit mit Farbbildern

3.3 Bildrestaurierung 3.3 Bildrestaurierung –– Spektrale Filterung (1)Spektrale Filterung (1)

Anforderungen

vollständige Reduktion der Waben starke Filterung, niedrige Grundfrequenz hochfrequente Bildanteile werden eliminiert

keine unnötige Abschwächung wichtiger Details nur minimale Glättung hohe GrundfrequenzGlättung, hohe Grundfrequenz

Einhaltung des Abtasttheorems

Beispielaufnahme

Zugehöriges Frequenzspektrum

[Winter, 2008]


Intensitätsbild einer Kali-briertafel,fiberoptisch aufgenommen[Winter, 2008]


Charakteristika einer faseroptischen Aufnahme im Frequenzraum

Achsen stellen Orts-frequenzen dar

Waben = kleinste Informationseinheit eines faseroptischen BildesSignalanteil mit der höchsten Frequenz

Eigenschaften:

Einheitliche Größe im gesamten Grauwertbild

Periodisches Auftreten


Frequenzspektrum einer faser-optischen Aufnahme[Winter, 2008]

Im Vergleich zur Wabenstruktur niederfrequentere Bildinformation

Frequenzen höher als Grundfrequenz der Waben sind spektrale Wiederholungen enthalten keine Informationen


Transformation und Anwendung des Abtasttheorems zur Maskierung

Zwei Abtastungen bei Glasfaseraufnahme

Unterabtastung:

Ü SÜbertragene Bildinformation einer Szene wird durch Bildleiter in der Anzahl und dem Abstand der Fasern begrenzt

Überabtastung:

Entstehung durch höhere Auflösung des CCD-Sensors gegenüber des Bildleiters

Symmetrische Anordnung der Fasern mit Abstand zueinanderfd


Frequenzanteil um im Fourier-Spektrumfs df 1


Transformation und Anwendung des Abtasttheorems zur Maskierung (cont.)

Nyquist-Theorem:

Maximale Frequenz des Spektrums darf halbe Abtastfrequenz durch d F i h üb h i

0ffdas Faserraster nicht überschreiten

Ideale Separierbarkeit der Spektralbereiche von Bild- und Wabenfunktion

dazu nötig: Filtermaske: 1D: Rechteckfunktion mit Grenzfrequenz 2D: Erweiterung zum Kreis

2!

0 sff

0f

sf


andernfalls Verluste

Rechteckfunktion


Vorgehensweise

Automatische Generierung der Filtermaske aus spektraler Darstellung eines Referenzbildes

Transformation: in 2D = schnelle Fourier-Transformation

El i M l i lik i d b üb l Ei bild ˆ

M

refI

FFT Elementweise Multiplikation des wabenüberlagertes Eingangsbildes

mit im Frequenzraum

Formale Darstellung:

it

)},()},(ˆ{{),( 1 jiMyxIFFTFFTyxI HjyWix ),(0 ,),(0

IM

1% 5% der Energie gehen

Elementweise Multiplikation


mit

= wabenfreies Bild

= Parameter zur Energie-erhaltung im Spektrum

2

2

),(}ˆ{

}ˆ{

jiMIFFT

IFFT

I

1%-5% der Energie gehen durch Maskierung verloren


Maskengenerierung

Grundprinzip: Ableiten charakteristischer Parameter aus Spektrum

Ziel: Unterdrücken von unerwünschten Frequenzbereichen im S k E d k i bild i W b kSpektrum von Endoskopiebildern mit Wabenstruktur


mit

)}},(ˆ{{),( yxIFFTMjiM ref HyjWxi ,0,,0

ˆ


= Referenzbild mit Wabenstruktur (keine weiteren Anforderungen)

Größe der Maske = Größe des Referenzbildes

refI


Maskengenerierung für Glasfaserbündel

Charakteristika: 6 Frequenzschwerpunkte, resultierend aus homogener hexagonaler Anordnung der Waben

Parameter:

Größe der Maske ( )

Hauptfrequenz der Wabenstruktur

Grenzfrequenz der Bildinformation

Winkel zur Beschreibung der Rotations-varianz der Waben

sf20 sff

s

Frequenzspektrum mit P t

Grenzfrequenz über Wabenfrequenz be-stimmt, da der niederfrequentere Bildanteil keine klaren Grenzen hat

WH ,


Form: sternförmig

Ausnutzen der 6 Frequenzschwerpunkte der Waben

entsteht durch 2D-Erweiterung der Rechteckfunktion mitvariabler Grenzfrequenz lf 0

Parametern[Winter, 2008]

keine klaren Grenzen hat


Maskengenerierung für Glasfaserbündel (cont.)


jilfrjiM

),(,1)( 0{

mit

Abstand vom

Maskenzentrum

sonstjiM

,0),( {

HjWi 0 ,0

22 )2()2( HjWir

Frequenzspektrum mit Parametern[Winter, 2008]


Sternform-Parameter

Winkel eines Frequenzpunktes bezüglich der Spektrumsmitte und der vertikalen Achse

2)3(cos)1(),( 2 sjil

),( ji0i


Maskengenerierung für Glasfaserbündel (cont.)

Formale Darstellung des Sternform-Parameters:

2)3(cos)1(),( 2 sjil

Effekt von Parameter :

Erhöhen der Grenzfrequenz für Abschnittezwischen den 6 Frequenzschwerpunkten derWabenstruktur

Verringern für Abschnitte in deren Nähe

Effekt von in :

)()(),( sj

l

0f

()cos2 ),( jil

Sternmaske zur spektralen Filterung[Winter, 2008]


periodische Frequenzerweiterung Sternspitzen

Effekt des ersten und letzten Terms in :

Erster: Summand

Letzter: Gewichtung ( Maß für die Größe der Sternspitzen)

() ),( j

),( jil


Ergebnisse vor und nach Entfernen der Wabenstruktur


Bildausschnitt einer Kalibriertafel,faseroptisch aufgenommen[Winter, 2008]

Bildausschnitt nach spektraler Filterung[Winter, 2008]

InhaltInhalt

4 Anwendungsbeispiele

4.1 Bauwesen

4.2 Konfokale Endomikroskopie


4.1 Anwendungsbeispiel: Bauwesen (1)4.1 Anwendungsbeispiel: Bauwesen (1)

Problematik:

Viele Bauschäden im fertigen Zustand nicht sichtbar

Freilegung sehr kostspielig

Einsatz von Endoskopie zur Untersuchung von Bauwerken

Beispiel: Zweischaliges Mauerwerk

Einführen des Endoskops in die Wand

Einblick in den Zwischen-raum zwischen den beiden Wandschalen

Untersuchung der Draht-


Endoskopie einer Wand[Frey, 2013]

Untersuchung der Drahtanker zum Verbinden der Wandschalen


Problematik:

Viele Bauschäden im fertigen Zustand nicht sichtbar

Freilegung sehr kostspielig

Einsatz von Endoskopie zur Untersuchung von Bauwerken

Beispiel: Zweischaliges Mauerwerk – Prüfung vor Sanierung

Vorschieben des Endoskops zu den Ankern

Erkennen schadhafter Drahtanker (Durchrostung zu geringer Durchmesser zum Lastabtrag)


Schadhafter Drahtanker[Frey, 2013]

g)

Feststellen von Sanierungsbedarf


Beispiel: Zweischaliges Mauerwerk – Prüfung der Arbeiten nach Sanierung

Betonummantelung als Korrosionsschutz fehlt

Drahtanker, nicht sach- Drahtanker, sachgerecht

HANEL (2013-10-05) PAK: Endoskopie

Vorteile gegenüber herkömmlichem Öffnen der Wand:

Präzise Ortung der Anker möglich

Kaum Lärmbelästigung

49

gerecht eingebracht[Frey, 2013]

[Frey, 2013]

4.2 Anwendungsbeispiel: Konfokale 4.2 Anwendungsbeispiel: Konfokale EndomikroskopieEndomikroskopie (1)(1)

Grundprinzip:

Integration eines konfokalen Fluoreszenz-Mikroskops in das distale Ende eines (Video-)Endoskops Integriertes Endomikroskop

K f k l h ik Konfokaltechnik:

Beleuchtung des Objektes nur punktweise und nicht gänzlich

streifenweise Abtastung

Eliminieren von Licht außerhalb der Fokusebene durch Detektor-Lochblende

wenig Streulicht aus anderen Ebenen gute Tiefenauflösung

Floureszenz:

Farbstoffe absorbieren (Laser-)Licht bestimmter Wellenlänge


( ) g Anregung der Farbstoffe

Abstrahlen von Licht anderer Wellenlänge nach wenigen Nanosekunden

50


Grundprinzip (cont.):

Konfokale Lasertechnik ermöglicht Aufnahmen von Gewebe auf und unter der Oberfläche

Benutzer erhält sowohl gewöhnliches endoskopisches Bild als auch konfokales Mikroskop Bildkonfokales Mikroskop-Bild

Vorteil gegenüber herkömmlicher Endoskopie:

Deutliche Vergrößerung der realen Szene (Faktor 1000)

Einsparen von Biopsien Durchführung während herkömmlicher Endoskopien

Höherer Informationsgehalt in Tiefenrichtung



Spitze eines integrierten Endomikroskops

Endosmikroskopspitze


Schwierigkeit: Mikroskop auf Größe eines Endoskops (~13 mm)

52

Endosmikroskopspitze[Pentax, 2013]


Grundprinzip des Konfokal-Fluoreszenz-Mikroskops (an Endoskopspitze)

Fluoreszenzlicht aus der Fokusebene

Licht von außerhalbder Fokusebene wird an Detektor-Lochblende gefiltert

Lichtübertragung


Lichtquelle außerhalb des Endoskops

über Einzelfaser

an Spitze des Endoskops (distales Ende)

Grundprinzip der Konfokal-Mikroskopie [Uni Wien, 2013]


Integriertes Endomikroskop – Funktionsweise

Einspeisen von blauem Laserlicht (= Lichtquelle) in Einzelfaser

Projektion des Lichtes über Linsensystem in der Endoskopspitze auf bildgebende Ebene auf oder unterhalb der Objektoberfläche (z.B. Gewebe)Gewebe) Fokussierung auf diese Ebene

Anregung von eingebrachten Floureszenzstoffen (Kontrastmittel) durch das Laserlicht

Emission von Licht anderer Wellenlänge (aufgrund der Anregung) von dieser Ebene Aufnahme durch Faser

Passieren des an Oberfläche abgegebenen Lichtes durch


dichroitischen Spiegel in Richtung Detektor, Reflexion des Laserlichtes

Übersetzen des passierten Lichtes punktgenau in Graustufenbild in Detektionseinheit

Zweidimensionale Abtastung durch Faser über rotierende Spiegel

Schnittbild parallel zur Gewebeoberfläche

54


Ergebnis:

Schnittbilder: mehrere Graustufenbilder unterschiedlicher Eindringtiefe, 1000-fache Vergrößerung der Realität

Oberfläche0,7 μm

Einzelpunktgröße

Eindringtiefe in Gewebe,max: 250 μm

Oberfläche0,7 μm

250 μm


Einzelbildgröße

Schnittbilder[Pentax, 2013]

500 x 500 μm

5 Zusammenfassung5 Zusammenfassung

Endoskopie

= Visuelle Technik zur Untersuchung schwer zugänglicher Objekte

Glasfaserendoskop, aber auch linsenoptisches oder Videoendoskope

Kernelement: Glasfaser

Bestandteile: Kern + Mantel Totalreflexion

Kombination zu Faserbündel Licht- und Bildübertragung

Kernprobleme:

Wabenmuster Störeffekt Spektrale Filterung

Weitwinklige Optik Verzeichnungen Kalibrierung


Anwendung: Bauwesen und konfokale Endomikroskopie

56

Literaturempfehlung (1)Literaturempfehlung (1)

Grundlagen der Endoskopie

Lewerenz (2009): Einführung in die Endoskopie sowie Unterscheidung der einzelnen Varianten

Verarbeitung endoskopischer Aufnahmen

Winter (2008): Überblick über Charakteristika einer Glasfaseraufnahme sowie Möglichkeiten der Reduktion

Klar (2005): Kalibrierung mit Lochkameramodell

Anwendungsbeispiele


Anwendungsbeispiele

Kiesslich et al. (2013) Gute Einführung in die Technik der Endomiksroskopie

Literatur (1)Literatur (1)

Bartz D (2003) Möglichkeiten und Grenzen der virtuellen Endoskopie. In: Schulze T, Schlechtweg S, Hinz V (Hrsg) Simulation und Visualisierung 2003 (SimVis 2003). Magdeburg: SCS Publishing House e.V.: 249-258

Janßen C (2000) Ein miniaturisiertes Endoskop-Stereomesssystem zur Strömungsvisualisierung in Kiesbetten Diplomarbeit Heidelberg:Strömungsvisualisierung in Kiesbetten. Diplomarbeit. Heidelberg: Ruprecht-Karls-Universität, Fakultät für Physik und Astronomie

Kiesslich R, Götz M, Rey J, Hoffman A (2013) Endomikroskopie. In: Baretton G, Bechstein W O, Degen L, Denzer U, Koop H, Lohse A (Hrsg) Gastroenterologie up2date 2013. Stuttgart: Thieme, 09(01): 41-54

Klar M (2005) Design of an endoscopic 3-D Particle-Tracking Velocimetry system and its application in flow measurements within a gravel layer. Dissertation. Heidelberg: Ruprecht-Karls-Universität, Naturwissenschaftlich-mathematische Gesamtfakultät


Naturwissenschaftlich-mathematische Gesamtfakultät

Lewerenz B (2009) Bilddokumentation in der gastroenterologischen Endoskopie. Dissertation. München: Ludwig-Maximilians-Universität, Medizinische Fakultät

Literatur (2)Literatur (2)

Vettori T (1998) Möglichkeiten der Endoskopie zur Parameterbestimmung für die Modellierung von Makroporenfluß. Diplomarbeit. Freiburg i. Br.: Albert-Ludwigs-Universität, Fakultät für Umwelt und natürliche Ressourcen

Winter C (2008) Automatische Bildrestaurierung für faseroptische Systeme Winter C (2008) Automatische Bildrestaurierung für faseroptische Systeme am Beispiel von Fiberskopen. Dissertation. Nürnberg-Erlangen: Friedrich-Alexander-Universität, Technische Fakultät


Literatur Literatur -- InternetInternet

Frey S (2013) Endoskopie im Bauwesen und die Kombination der optischen Prüfung mit anderen ZfP-Verfahren. Folienpräsentation am 3. Fachseminar Optische Prüf- und Messverfahren der DGZfP. http:// www.dgzfp. de/… Portals/opm2013/BB/v1.pdf (05.07.13)

Pentax (2013) Konfokale Endomikroskopie http://www ricoh-imaging de/ Pentax (2013) Konfokale Endomikroskopie. http://www.ricoh imaging.de/... de/ media/8ed15928970c8c93cef9c4e0018cdd19/3618 (13.09.13)

Steiner C (2013) Untersuchungen zum Einsatz von Glasfaserendoskopen in Crashtests. Folienpräsentation zum gleichnamigen Beitrag an den Oldenburger 3D-Tagen 2013. http://www.jade-hs.de/fileadmin/forschung/... downloads/3D-Tage/Vortragsfolien_2013/Steiner_Glasfaserendoskope.pdf (04.05.13)

Uni Wien (2013). Konfokal-Mikroskopie. http://www.univie.ac.at/...mikroskopie/3 fluoreszenz/fluoreszenz mikroskop/5c konfokal htm


mikroskopie/3_fluoreszenz/fluoreszenz_mikroskop/5c_konfokal.htm (13.09.13)

Wikipedia (2013) Endoskopie. http://de.wikipedia.org/wiki/Endoskopie (04.05.13)

Wikipedia-2 (2013) Abbildungsfehler. http://de.wikipedia.org/wiki/... Abbildungsfehler (14.09.13)

LernzieleLernziele

Sie sollten…

sich an die Hauptbestandteile eines Endoskops erinnern

das Prinzip der Endoskopie verstehen

die Endoskopie in passenden Situationen anwenden können

ein Bild hinsichtlich charakteristischer Merkmale endoskopischer Aufnahmen analysieren können


die Verfahren der „spektralen Filterung“ und der „Interpolation“ zur Reduktion des Wabenmusters gegeneinander bewerten können

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Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2013 SS ... · 1 Warum noch eine zusätzliche Technik? (3) Einsatz der Endoskopie (gr. für innen beobachten) Endoskop während Prüfung