Medición de textura superficial 2D/3D

1. Medición de color tal y como se ve

El spectro2profiler utiliza una iluminación circunferencial a 45° desde seis direcciones y una visualización de 0°. La probada e innovadora tecnología BYK LED garantiza un rendimiento excepcional: la estabilidad a corto y largo plazo y la temperatura se controlan con la mayor precisión posible. El punto de medición extragrande con iluminación homogénea garantiza lecturas altamente repetibles y representativas. En conjunto, se garantiza la máxima precisión y concordancia entre instrumentos y se permite el uso de estándares digitales, la clave para la gestión global del color.

Imagen 1 Medición de color con Configuración a 45°c:0

2. Brillómetro convencional para reflectividad y brillo a 60°

Por razones históricas, el spectro2profiler tiene incorporado un brillómetro de 60. La reflectividad y el brillo se basan en la interacción de la luz con las propiedades físicas de la superficie de la muestra. La intensidad depende del material y del ángulo de iluminación. Los resultados de medida de un brillómetro convencional están relacionados con la cantidad de luz reflejada de un estándar negro con un índice de refracción definido. Los instrumentos de medición actuales son muy precisos y ampliamente utilizados en la industria, pero tienen puntos débiles en la medición de superficies estructuradas. Las sombras proyectadas y las áreas invisibles al detector de medición pueden falsear la medición

Imagen 2 Proyección de sombras con el uso de medición de brillo tradicional 60°

3. Medición de reflectividad 2D resuelta espacialmente

Además, la percepción del brillo no solo depende del brillo especular, sino también del contraste observado entre los reflejos especulares y las áreas superficiales de reflexión difusa. (1) Un medidor de brillo convencional no es capaz de capturar un comportamiento reflectante más complejo, como reflejos distribuidos espacialmente, por ejemplo, picos brillantes junto a valles mates que se producen en estructuras similares al cuero.
Para superar esta limitación, el spectro2profiler ofrece una nueva tecnología basada en cámaras para capturar la distribución espacial de la reflectividad. Una configuración de iluminación en línea elimina las sombras proyectadas, las áreas invisibles y las distorsiones de perspectiva para que la medición sea independiente de la orientación. La cámara adquiere imágenes de reflectividad 2D. Las figuras 3 y 4 muestran el principio de medición del spectro2profiler y un ejemplo de un mapa de reflectividad en escala de grises en el que cada píxel representa un valor de reflectividad que permite un análisis más detallado de las distribuciones de reflectividad de una superficie.
 

Imagen 3 Configuración de la medida de reflectividad espacialmente resuelta

Imagen 4 Mapa de reflectividad de una pintura en polvo con spectro2profiler

4. 3D Análisis Topográfico con técnica fotométrica estereo

Hasta ahora, la evaluación visual era la única forma de emitir un juicio completo de una superficie texturizada. Es por esta razón que los microscopios 3D se utilizan para proporcionar información muy detallada de la estructura de la superficie en el laboratorio con fines de investigación, pero no son adecuados para un análisis rápido y sencillo de la calidad de la producción.
El spectro2profiler utiliza la técnica estéreo fotométrica para estimar las superficies normales con el fin de calcular una topografía 3D de esa superficie. La técnica fue introducida originalmente por Woodham en 1980. (1) Las superficies normales se calculan observando un objeto desde diferentes direcciones de iluminación. Con cada dirección, el objeto proyecta diferentes sombras sobre la superficie y una cámara adquiere imágenes para cada iluminación. Usando la forma del sombreado, se estima la curvatura de la superficie y se puede calcular el mapa de altura del objeto. El resultado es una topografía 3D real de la superficie del objeto medido. La unidad P-µm es la altura percibida.
 

Imagen 5 Imagen de diferentes iluminaciones para calcular la topografía de la superficie (2)

Imagen 6 Mapa de alturas de una superficie con pintura en polvo medida con el spectro2profiler. La unidad P-µm es la altura percibida.

5. Segmentación divisoria para definir tamaño y estructura de celdas

Las topografías como los granos de cuero o las estructuras recubiertas de pintura en polvo en gotas se pueden caracterizar por sus células de estructura. Para dividir la topografía en celdas, se utiliza el algoritmo de cuenca hidrográfica, un enfoque de segmentación basado en regiones. Uno puede imaginar que el algoritmo inunda gradualmente los valles de la topografía, construyendo ríos hasta que las áreas de colinas están rodeadas. (3) Estas áreas se definirán como celdas, marcadas con líneas verdes en la Figura 7.
Las características de la superficie se pueden calcular en función de los resultados de la segmentación de la cuenca hidrográfica para comparar diferentes estructuras o granos. Las escalas de longitud espacial resultan de la calibración de la cámara y son trazables a unidades SI. El tamaño de celda promedio calculado se correlaciona con nuestra impresión visual de textura. La distribución de tamaños de celdas individuales es una indicación de la uniformidad de la estructura de la superficie. Por ejemplo, una estructura de cuero natural varía en uniformidad según la parte de la piel de vaca. Una pintura texturizada puede formar aglomeraciones durante la aplicación de pintura húmeda si los parámetros de aplicación varían dando como resultado una apariencia no homogénea. La desviación del tamaño de celda normalizado se calcula dividiendo la distribución del tamaño de celda por el tamaño medio de celda. Es una medida objetiva para comparar la uniformidad de diferentes estructuras independientemente de su tamaño de celda absoluto.
 

Imagen 7 Set de datos de topografía 3D

Imagen 8 Segmentación de divisoria La topografía se divide en celdas

6. Combinación de topografía 3D y datos de reflectividad 2D

Para evaluar la apariencia general de un objeto, es necesario medir la estructura de la superficie y la reflectividad en paralelo, ya que son parámetros interdependientes, pero se combinan para una evaluación visual general. (4) Debido a que nuestros ojos solo son capaces de adquirir información en 2D, el sistema visual humano reconstruye la información en 3D de los objetos en nuestro cerebro usando sombras y reflejos. (5) Eso significa que la profundidad percibida de una estructura depende del comportamiento de reflexión en las colinas y valles. Dado que el spectro2profiler utiliza el mismo sistema de cámara y lente para la adquisición de topografía 3D y datos de reflectividad 2D, es posible combinar los datos de ambos principios de medición (Figura 8 y Figura 9). Así, se puede separar el reflejo de colinas y valles. La diferencia entre reflejo de picos y valles describe el contraste y la profundidad percibida de una superficie estructurada.

Imagen 9 datos de topografía 3D: La altura es un codigo de Escala de gris

Imagen 10 Datos de reflectividad 2D Intensidad de reflectividad es una escala de gris

7. Ejemplo práctico del sector automotriz

Muchos componentes del interior de los automóviles tienen un aspecto similar al cuero y los fabrican diferentes proveedores con diferentes procesos, ademas están hechos de varios materiales. La apariencia de la superficie de los productos se analiza en las diferentes fases de desarrollo, por ejemplo, al principio por el departamento de diseño en el desarrollo del grano para aprobar a los proveedores y al final por el control de calidad en la producción. Las estructuras de la flor del cuero pueden parecer diferentes en contraste, aunque el color y el brillo de 60° son los mismos (Figura 10). Esto puede deberse a los diferentes niveles de reflectividad de la superficie en colinas y valles. Hasta ahora esto tenía que evaluarse visualmente, lo cual es subjetivo y poco fiable. Los resultados de la medición en la tabla muestran cómo el contraste de reflectividad Rc puede distinguir las muestras a pesar de tener el mismo color y brillo de 60°. Además, los resultados de la reflectividad para picos y valles brindan detalles sobre las causas de los diferentes contrastes de reflectividad.

La nueva medida del parámetro de contraste de reflectividad es una medición ideal para el control de calidad en pieza de inyección.

Imagen 11 4 placas patron de una consola con distintos niveles de contraste

8. Pintura rugosa – Muestras de pintura en polvo

En este ejemplo se evalúan paneles revestidos de pintura en polvo del mismo color con una estructura fina a gruesa. Visualmente, las muestras difieren debido a los diferentes tamaños de celda (Figura 11). Esta diferencia específica es causada por variaciones en el espesor de la película, pero también los aditivos o los cambios de temperatura pueden tener un impacto en la textura de la superficie. En la tabla de datos del Smart-chart (Figura 12) se puede ver claramente que las cuatro muestras tienen el mismo color y valores de brillo a 60°. Se puede hacer claramente una diferenciación por el 
tamaño medio xde celda.

Imagen 12 Cuatro panels de pintura en polvo con distinta estructura

Imagen 13 Resultados de medición mostrados en el smart-chart

9. Piezas de plástico y pintura texturizada

Las piezas de plástico texturizadas o la pintura de estructura fina, como se muestra en la Figura 13, tienen estructuras demasiado pequeñas para segmentar en celdas visibles. Por lo tanto, es necesario otro enfoque para evaluar los datos topográficos.
Se detectan los máximos y mínimos locales y se calcula la distancia del micropico µPd (µm) como la distancia máxima entre picos adyacentes en la topografía (Figura 14). Se correlaciona con la rugosidad percibida visualmente de estas estructuras finas. Cuanto más alto es el valor, más rugosa parece la estructura. El efecto de la rugosidad a menudo se refuerza, indica o ilustra mediante la amplitud de los picos de la estructura, que se mide mediante la amplitud microlocal µA (P-µm).
Los resultados en la tabla de datos del Smart-chart (Figura 15) muestran que cuanto más rugosa parece la muestra, mayor es la distancia micro pico y la amplitud media micro, respectivamente.
Además de la rugosidad, la percepción visual también está influenciada por la reflectividad de la superficie. Este “aspecto brillante” está dominado principalmente por el contraste entre las manchas brillantes y las manchas sin brillo. El spectro2profiler captura el efecto con la medida Contraste de Micro Reflectividad µRc utilizando la información de reflectividad espacial 2D de la imagen de la cámara. 
 

Imagen 14 3 paneles con pintura texturizada fina

Imagen 15 Calculo de la distancia Micro pico µPd (µm)

Imagen 16 Resultados de medición mostrados en el Smart-chart

10. Resumen

spectro2profiler cambia las reglas del juego y marca un punto de inflexión en el análisis de superficies estructuradas. La combinación de 45°c: medición de color de 0°, brillo especular de 60°, topografía 3D y reflectividad 2D en un instrumento fácil de usar es un hito en el control de medición objetiva de superficies texturizadas. En este momento, el spectro2profiler incorpora cuatro algoritmos para el análisis de la estructura de la superficie: estructuras similares al cuero, estructuras similares al cuero inversas, texturas de pintura gruesa y texturas de pintura fina o plásticos. Debido a su excelente desempeño técnico en cuanto a repetibilidad y reproducibilidad entre instrumentos, los patrones digitales pueden usarse como referencia, permitiendo una comunicación impecable dentro de una cadena de suministro global.
A partir de ahora, nuestra percepción visual del color, el brillo y la estructura se puede evaluar de forma holística y objetiva, se puede optimizar la armonía del color y la apariencia al combinar diferentes componentes y todo esto es posible tanto en el laboratorio como en la línea de producción con el spectro2profiler portátil.