Misura della texture superficiale 2D/3D

1. Misura del colore come lo vediamo

Lo spectro2profiler usa un’illuminazione circonferenziale a 45° da sei direzioni e osservazione 0°. La collaudata e innovativa tecnologia LED BYK garantisce prestazioni eccezionali: La stabilità a breve, lungo termine e alla temperatura sono controllate con la massima precisione possibile. L’area di misura extra-large con illuminazione omogenea garantisce letture altamente ripetibili e rappresentative. La massima precisione e l'accordo inter-strumentale sono garantiti e consentono l'uso di standard digitali – La chiave per la gestione globale del colore.

Immagine 1 Setup della misura del colore 45°c:0

2. Glossmetro convenzionale per la riflettività e il gloss 60°

Per ragioni storiche, lo spectro2profiler ha un glossmetro a 60° integrato. La riflettività e il gloss si basano sull'interazione della luce con le proprietà fisiche della superficie del campione. L'intensità dipende dal materiale e dall'angolo di illuminazione. I risultati di misurazione di un glossmetro convenzionale sono correlati alla quantità di luce riflessa da uno standard di vetro nero con un indice di rifrazione definito. Gli strumenti di misura odierni sono molto precisi e ampiamente utilizzati nell'industria, ma presentano alcuni punti deboli nella misurazione di superfici strutturate. Le ombre proiettate e le aree invisibili al rilevatore di misurazione possono falsificare il risultato della misurazione.

Immagine 2 Ombre proiettate con l’uso del glossmetro 60° tradizionale

3. Misurazione della riflettività 2D risolta spazialmente

Inoltre, la percezione del gloss non dipende solo dal gloss speculare, ma anche dal contrasto osservato tra la riflessione speculare e le aree superficiali che diffondono la luce. (1) Un glossmetro convenzionale non è in grado di catturare comportamenti riflettenti più complessi come le riflessioni spazialmente distribuite, ad esempio alti picchi brillanti vicini a valli poco riflettenti che si verificano in strutture simili alla pelle. 
Per superare questa limitazione, lo spectro2profiler offre una nuova tecnologia basata su fotocamera per catturare la distribuzione spaziale della riflettività. Una configurazione dell'illuminazione in linea elimina ombre proiettate, aree invisibili e distorsioni prospettiche in modo che la misurazione sia indipendente dall'orientamento. La fotocamera acquisisce immagini di riflettività 2D. Le figure 3 e 4 mostrano il principio di misurazione dello spectro2profiler e un esempio di una mappa di riflettività in scala grigia in cui ogni pixel rappresenta un valore di riflettività che consente un'analisi più dettagliata delle distribuzioni di riflettività di una superficie.
 

Immagine 3 Setup della misurazione della riflettività risolta spazialmente

Immagine 4 Mappa di riflettività di una superficie verniciata a polvere acquisita con spectro2profiler

4. Analisi della topografia 3D con tecnica stereofotometrica

SFinora la valutazione visiva era l'unico modo per fornire un giudizio completo di una superficie strutturata. Pertanto, i microscopi 3D vengono utilizzati per fornire informazioni molto dettagliate sulla struttura superficiale in laboratorio per scopi di ricerca, ma non adatti per un'analisi rapida e semplice della qualità della produzione.
Lo spectro2profiler utilizza la tecnica stereofotometrica per stimare le normali di superficie al fine di calcolare una topografia 3D di quella superficie. La tecnica è stata originariamente introdotta da Woodham nel 1980. (1) Le normali di superficie sono calcolate osservando un oggetto da diverse direzioni di illuminazione. Con ogni direzione, l'oggetto proietta ombre diverse sulla superficie e una fotocamera acquisisce immagini per ogni illuminazione. Utilizzando la forma dall'ombreggiatura, viene stimata la curvatura della superficie e viene calcolata la mappa dell'altezza dell'oggetto. Il risultato è una topografia 3D reale della superficie dell'oggetto misurato. L'unità P-µm è l'altezza percepita.

Immagine 5 Acquisizione di immagini da diverse illuminazioni per calcolare la topografia della superficie (2)

Immagine 6 Mappa delle altezze di una superficie verniciata a polvere misurata con spectro2profiler. Lunità P-µm è laltezza percepita.

5. Analisi dello spartiacque per definire la dimensione delle celle della struttura

Strutture come la grana della pelle o strutture verniciate a polvere possono essere caratterizzate dalle loro celle di struttura. Per dividere la struttura in celle, viene utilizzato l'algoritmo dello spartiacque, un approccio di segmentazione basato sulla regione. Si può immaginare che l'algoritmo allaghi gradualmente le valli della topografia, costruendo fiumi fino a quando le aree collinari sono circondate. (3) Queste aree saranno definite come celle, contrassegnate come linee verdi nella figura 7.
Le caratteristiche della superficie possono essere calcolate in base ai risultati della segmentazione dello spartiacque per confrontare diverse strutture o grane. Le scale di lunghezza spaziale derivano dalla calibrazione della telecamera e sono riconducibili alle unità SI. La dimensione media delle celle calcolata è correlata alla nostra impressione visiva di struttura. La distribuzione delle singole dimensioni delle celle è un'indicazione per l'uniformità della struttura superficiale. Ad esempio, una struttura in pelle naturale varia in uniformità a seconda della parte della pelle di mucca. Una vernice texturizzata può formare agglomerati durante l'applicazione della vernice bagnata se i parametri di applicazione variano con conseguente aspetto disomogeneo. La deviazione normalizzata della dimensione delle celle viene calcolata dividendo la distribuzione delle dimensioni delle celle con la dimensione media della cella. È una misura oggettiva per confrontare l'uniformità di diverse strutture indipendentemente dalla sua dimensione assoluta della cella.
 

Immagine 7 Dati grezzi e dati topografici segmentati di una grana di pelle su un substrato plastico

Immagine 8 Dati grezzi e dati topografici segmentati di una grana di pelle su un substrato plastico

6. Combinazione della topografia 3D con i dati di riflettività 2D

Per valutare l'aspetto generale di un oggetto, è necessario misurare la struttura superficiale e la riflettività in parallelo, poiché sono reciprocamente interdipendenti, ma sono combinati per una valutazione visiva complessiva. (4) Poiché i nostri occhi sono in grado di acquisire solo informazioni 2D, il sistema visivo umano ricostruisce le informazioni 3D degli oggetti nel nostro cervello usando ombreggiature e riflessi. (5) Ciò significa che la profondità percepita di una struttura dipende dal comportamento di riflessione sulle colline e sulle valli. Poiché lo spectro2profiler utilizza lo stesso sistema di fotocamere e lenti per l'acquisizione di dati topografici 3D e di riflettività 2D, è possibile combinare i dati di entrambi i principi di misura (Figure 8 and Figure 9). Pertanto, la riflessione di colline e valli può essere separata. La differenza tra riflessione di colline e valli descrive il contrasto e la profondità percepita di una superficie strutturata.

Immagine 9 Set di dati topografici 3D: laltezza è codificata in scala di grigi

Immagine 10 Set di dati di riflettività 2D: lintensità della riflettività è codificata in scala di grigi

7. Esempio pratico per l’industria automotive

Molti componenti per interni auto hanno un aspetto simile alla pelle e sono prodotti da diversi fornitori con processi diversi e realizzati con vari materiali. L'aspetto della superficie dei prodotti viene analizzato nelle diverse fasi di sviluppo, ad esempio, all'inizio dal reparto di progettazione nello sviluppo della grana per approvare i fornitori e alla fine dal controllo di qualità nella produzione. Le strutture delle grane della pelle possono apparire diverse in contrasto sebbene il colore e il gloss a 60° siano gli stessi (Figura 10).  Ciò può essere causato a causa dei diversi livelli di riflettività della superficie su colline e valli. Fino ad ora questo doveva essere valutato visivamente che è soggettivo e non ripetibile. I risultati della misurazione nella tabella mostrano come il contrasto di riflettività Rc può distinguere i campioni nonostante abbiano lo stesso colore e gloss a 60°. Inoltre, i risultati della riflettività per colline e valli forniscono dettagli su ciò che causa i diversi contrasti di riflettività.

l nuovo parametro di misura Contrasto di Riflettività è una misura ideale per la produzione di QC di parti stampate a iniezione o in slush.

Immagine 11 Quattro slush di cruscotto dello stesso materiale con diversi livelli di contrasto

8. Vernici goffrate – Campioni di vernici in polvere

In questo esempio vengono valutati pannelli rivestiti in polvere dello stesso colore con una struttura da fine a grossolana. Visivamente i campioni differiscono a causa delle diverse dimensioni delle celle (Figura 11). Questa differenza specifica è causata da variazioni nello spessore del film, ma anche additivi o variazioni di temperatura possono avere un impatto sulla struttura superficiale. Nella tabella dei dati di smart-chart (Figura 12) si può vedere chiaramente che i quattro campioni hanno lo stesso colore e gli stessi valori di gloss a 60°. Una differenziazione può essere chiaramente fatta dalla dimensione media della cella.

Immagine 12 Quattro pannelli verniciati a polvere con struttura diversa

Immagine 13 Risultati delle misurazioni visualizzati in smart-chart

9. Parti in plastica elettro-erose o vernici a struttura fine

Le parti in plastica erose o la vernice strutturata fine, come mostrato nella Figura 13, hanno strutture troppo piccole per essere segmentate in celle visibili. Pertanto, è necessario un altro approccio per valutare i dati topografici.
Vengono rilevati massimi e minimi locali e la Micro-Peak-Distance µPd (µm) viene calcolata come la distanza di picco tra picchi adiacenti sulla topografia (Figura 14). È correlata con la rugosità visivamente percepita di queste strutture sottili. Più alto è il valore, più ruvida appare la struttura. L'effetto della rugosità è spesso rafforzato, indicato o illustrato dall'ampiezza dei picchi di struttura che viene misurata dalla Micro Local Amplitude µA (P-µm).
I risultati nella tabella dati di smart-chart (Figure 15) mostrano che più ruvido appare il campione e maggiore è la Micro Peak Distance e la Micro Mean Amplitude, rispettivamente.
Oltre alla rugosità, la percezione visiva è influenzata anche dalla riflettività della superficie. Questo "aspetto lucido" è dominato principalmente dal contrasto tra macchie scintillanti e macchie non scintillanti. Lo spectro2profiler cattura l'effetto con la misura Micro Reflectivity Contrast µRc utilizzando le informazioni di riflettività spaziale 2D dall'immagine della fotocamera.
 

Immagine 14 Tre pannelli con vernice fine strutturata

Immagine 15 Calcolo della Micro Peak Distance µPd (µm)

Immagine 16 Risultati delle misurazioni visualizzati in smart-chart

10. Sommario

spectro2Profiler cambia le regole del gioco e segna un punto di svolta nell'analisi delle superfici strutturate. La combinazione di misurazione del colore 45°C:0°, gloss speculare a 60°, topografia 3D e riflettività 2D in un unico strumento facile da usare è una pietra miliare nel controllo oggettivo della misurazione delle superfici strutturate. In questo momento, lo spectro2profiler incorpora quattro algoritmi per l’analisi della struttura superficiale – strutture simili alla pelle, strutture simili alla pelle invertite, texture di vernici goffrate e vernici a struttura fine o plastiche elettro-erose.  Grazie alle sue eccellenti prestazioni tecniche in termini di ripetibilità e accordo inter-strumentale, gli standard digitali possono essere utilizzati come riferimento, consentendo una comunicazione impeccabile all'interno di una catena di fornitura globale.
D'ora in poi, la nostra percezione visiva del colore, della brillantezza e della struttura può essere valutata in un approccio olistico e obiettivo: l'armonia del colore e dell'aspetto quando si combinano diversi componenti può essere ottimizzata e tutto questo è possibile in laboratorio e sulla linea di produzione con il portatile spectro2profiler.