Anwendungsbeispile Data Science und Optik

ANWENDUNGSBEISPIELE

Anwendungsbeispiele Data Science und Optik

Kunden aus verschiedenen Bereichen haben uns auch mit kleinen Problemen aus dem F&E Alltag beauftragt. Wir bieten gerne folgende Lösungen:

Anpassung von alten Messalgorithmen oder Skripten an neue Messsysteme
Entwicklung von Software für Messungen oder Auswertungen
Automatisierte Auswertung von Labormessdaten, vor allem bei Reihenmessungen, wie sie z.B. im Rahmen von Zulassungsprüfungen durchgeführt werden.
Konzeption von Messungen passend zur Messaufgabe zur Minimierung des Arbeitsaufwandes.

Hier finden Sie einige Beispiele aus unseren bisherigen Projekten im Bereich der Medizintechnik, Industriemesstechnik und Automobilindustrie:

Neuentwicklung eines Mess-Algorithmus im Bereich Medizintechnik


AUFGABENSTELLUNG	Für die neue Generation eines Point-Of-Care Messgerätes wurde ein Algorithmus mit höherer Genauigkeit und Messgeschwindigkeit entwickelt, der darüber hinaus deutlich stabiler gegen Störeinflüsse abgesichert werden konnte.
LÖSUNGSWEG	Unsere Lösung umfasste dabei alle Schritte von der Messdaten-Analyse bis zur Prototypen-Implementierung in Matlab/Simulink: Auswertung und Analyse komplexer Labormessreihen Zeitreihenanalyse und mathematisches Modellieren von Kurvenverläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Entwicklung eines physikalischen Verständnisses der Prozesse Entwicklung geeigneter digitaler Filtersysteme zur Signalaufbereitung Entwicklung und Bewertung diverser Modelle zur digitalen Signalverarbeitung und deren Verifikation und Anpassung anhand Labormessdaten Parameteroptimierung für die Modelle Analyse des Einflusses klimatischer Bedingungen auf das Messergebnis und Entwicklung geeigneter Korrektur Vorentwicklung des Algorithmus in Matlab Implementierung und Test der Signalverarbeitung für das Zielsystem (Embedded) mit Simulink Projektbegleitung und Anpassung des Messsystems bis zum Prototypen-Phase anhand Model Based Design
ERGEBNIS	Dieses sehr umfangreiche Projekt konnte dank Model-Based-Design Ansatzes mit Matlab/Simulink im Vergleich zu ähnlichen Projekten innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgreich abgeschlossen werden.

MBD

Der Model-Based Design Ansatz hilft uns komplexe Algorithmen auf einfache Weise zu implementieren, wodurch Abläufe vereinfacht und Fehler vermieden werden. Der Ansatz erlaubt die Fokussierung der Entwickler auf ihre Kern-Arbeitsgebiete, wodurch – nicht zuletzt – auch die Kreativität gefördert und die Freude am Entwickeln erhöht wird.

Das Projekt wurde auf der Matlab Expo 2017 vorgestellt: Link

Physikalische Modellierung einer Elektrochemischen Zelle für einen Reglerentwurf


AUFGABENSTELLUNG	Für eine elektrochemische Zelle soll ein digitaler Regler entwickelt werden. Dafür wurde ein physikalisches Modell der Zelle in Simulink erstellt und anhand von Messreihen parametriert. Der Digital-Regler wurde ebenfalls in Simulink modelliert und mit Hilfe des Regelkreis-Modells optimiert. Für die Prototypen-Entwicklung wurde der C-Code für den Regler mit Hilfe des Simulink Embedded Coders direkt aus dem Modell exportiert.
LÖSUNGSWEG	Physikalische Modellierung einer elektrochemischen Zelle Modellparametrierung anhand von Labormessreihen Entwurf eines Digitalreglers Modellierung des Regelkreises und Regler-Optimierung Code-Erstellung mittels Simulink Embedded Coder
ERGEBNIS	Die Abbildung zeigt das vereinfachte Model vom Regler.

Regler Model

Der Graphik zeigt sehr gute Übereinstimmung von den experimentellen Messdaten und den modellierten.

Medizintechnik: Erkennung des fehlerhaften Verhaltens eines Biosensors


AUFGABENSTELLUNG	Bei einem medizinischen Messsystem wird mit Hilfe von Elektroden eine elektrochemische Reaktion gemessen. Diese Sensoren zeigten während klinischer Tests Probleme, die zu Fehlmessungen führen könnten und die daher in Zukunft durch die Software des Messsystems erkannt werden müssen. Im Rahmen dieses Projektes wurden Methoden entwickelt, um in Signalverlauf des Sensors Anzeichen für das Auftreten dieser Fehler rechtzeitig zu erkennen. Dadurch können fehlerhafte Sensoren außer Betrieb genommen werden, bevor es überhaupt zu Fehlmessungen kommen kann.
LÖSUNGSWEG	komplexe Zeitreihen- und Korrelationsanalysen Entwicklung von Kriterien zur Erkennung fehlerhafter Kurvenverläufe Vorentwicklung der Algorithmen in Matlab Parameteroptimierung für die Modelle Implementierung der Signalverarbeitungsmodelle in Simulink
ERGEBNIS	Die Abbildung zeigt die ROC Kurve für eine der entwickelte Fehlererkennungsmechanismen. Hierfür wurden zwei Modellen vorgeschlagen. Für jeden Parametersatz der Modelle kann einen Punkt (Sensitivität – Spezifität Paar) des Graphiks berechnet werden.

Fail Safes Error

Industriemesstechnik: Inspektion von Oberflächen für Instandhaltungsaufgaben

AUFGABENSTELLUNG

Für die routinemäßige Inspektion von Oberflächen industrieller Anlagen wurde ein robotergestütztes Inspektionssystem entwickelt. Dieses System führt eine Kamera mit und soll an Hand von Aufnahmen der Oberflächen automatisch Schädigungen bestimmen. Der Schädigungsgrad ist ausschlaggebend für die Einleitung von Wartungsarbeiten. Bei der Bildanalyse muss sowohl die Feinstruktur der Oberfläche bewertet als auch die Gesamtform der Oberfläche in dreidimensionaler Form erfasst werden.

LÖSUNGSWEG

Konzeption des Bildaufnahmesystems einschließlich der Beleuchtung unter Berücksichtigung von Bauraumvorgaben
Entwicklung eines Algorithmus für die Bildaufnahme und Erzeugung von Bildern mit hohem Dynamikumfang (HDR)
Algorithmus zur 3D-Rekonstruktion von Oberflächen aus Streifenlichtprojektions-Bildern
Erkennung diverser Merkmale der Oberfläche in den Bildern
Parameteroptimierung für das System anhand von Testbildern

ERGEBNIS

Die Abbildung zeigt die 3D Rekonstruktion von der Oberfläche.

Messbegleitende Bildanalyse


AUFGABENSTELLUNG	Für die Entwicklung einer neuen Testreagens zum Einsatz in der medizinischen Diagnostik wurde ein Bild-Aufnahmesystem einschließlich Auswertesoftware entwickelt . Das System nimmt den Ablauf des Reagenzvorgangs mit hoher Geschwindigkeit aus zwei Beobachtungswinkeln auf. Dadurch kann die Homogenität des Substanzauftrags und deren Einfluss auf die Testdynamik untersucht werden. Darüber hinaus kann eine statistische Auswertung der Flüssigkeitsausbreitung erfolgen.
LÖSUNGSWEG	Planung und Aufbau der für den Aufbau eingesetzten Kameratechnik Software zur Bildaufnahme und Synchronisation der Videostreams Computer Vision Methoden: Objekterkennung und –Tracking im Bild und Video Erstellung einer einfach zu bedienenden Benutzeroberfläche (GUI) Statistische Analysen
ERGEBNIS	Die Abbildung zeigt eine inhomogene Verteilung der Substanzen auf dem Träger.

Gemessene chemische Reaktion

Die gemessene chemische Reaktion läuft tatsächlich auf diversen Stellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ab.

Datenanalyse im Zusammenhang mit Reklamationen von Messgeräten


AUFGABENSTELLUNG	Ein Messgerätehersteller registrierte den Anstieg von Reklamationen bezüglich fehlerhafter Messungen eines bestimmten Gerätetyps. Es sollte die Frage geklärt werden, ob dieser Anstieg auf einen Produktionsfehler zurückzuführen war oder durch statistische Fluktuation natürlicher Fehlerursachen wie z.B. Bedienungsfehlern erklärt werden konnte. Dafür wurden die auf den reklamierten Geräten gespeicherten Messergebnisse und Log-Daten sowie die zugehörigen Reklamationsmeldungen verwendet.
LÖSUNGSWEG	Automatisierte Zusammenführung von Reklamationsmeldungen und Log-Daten der reklamierten Geräte Zeitreihenanalyse der Messdaten aus den Geräten Korrelationsanalysen Modellentwicklung für den fehlerfreien Messvorgang und Fehlbedingungen Vergleich von Messdaten aus den reklamierten Geräten mit Labormessungen

Predictive Maintenance using MATLAB: Pattern Matching for Time Series Data

Link auf die Präsentation auf der Matlab Expo 2018

Objektive für Kinoproduktion

Seit Mitte 2020 arbeiten wir zusammen mit anderen Designern für die Firma Glaswerk, welche Serien der anamorphe Objektive für Kinoproduktionen entwickelt und baut. Die „Glaswerk one“ und „Glaswerk one+“ nehmen Bilder mit einer horizontalen Stauchung von 2:1 auf, wie alte Cinemascope Optiken. Diese Objektive sind mit Hilfe moderner Design-Tools berechnet und mit moderner Technik gebaut. Die Baureihen umfassen diverse Festbrennweiten und kommen nach und nach auf den Markt. Das Interesse an diesen Objektiven ist sehr groß, denn viele Kameraleute schätzen den speziellen Look der anamorphen Optiken und setzen diese bei Kinoproduktionen, aber auch bei Produktionen für Netflix-Serien ein. Für uns ist dieses Projekt nicht nur wegen der hohen Komplexität der Optiken mit ihrem Mix aus sphärischen Linsen und Zylinderlinsen spannend, sondern auch weil das Ergebnis unserer Arbeit nicht nur nach harten Kennzahlen und MTF-Kurven bewertet wird, sondern auch stark nach künstlerischen Kriterien. Aussagen wie „der Look ist zu clean“ müssen wir als Entwickler erst einmal verstehen und dann in eine Merit-Function übersetzen.

Mehr zu den Objektiven von Glaswerk einschließlich Demo-Bildern und Videos gibt es auf dieser Webseite zu sehen.

Python und OpticStudio® – eine starkes Team

Im Jahr 2021 haben wir einige spannende Projekte durchgeführt, bei denen wir den nicht-sequentiellen Modus von OpticStudio im Wechselspiel mit Python eingesetzt haben. Dadurch eröffnen sich ganz andere Möglichkeiten in der Simulation und der Optimierung von Systemen. Unter anderem haben wir für einen Kunden eine sehr komplexe Toleranzanalyse durchgeführt, bei der wir den Einfluss von speziellen, bearbeitungsbedingten Formabweichungen untersucht haben, die sich in Ansys Zemax OptticStudio^® mit „Bordmitteln“ nicht modellieren lassen. Als Ergebnis konnten dann geeignete Toleranzvorgaben für den Bearbeitungsprozess abgeleitet werden.
Ein anderes spannendes Thema war die „de-Randomisierung“ von Strahldatensätzen. Ein wichtiges Hilfsmittel, um im nicht-sequentiellen Simulationen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, ist das Sobol-Sampling. Was aber, wenn in einem optischen Modell die Sobol-Charakteristik zum Beispiel durch einen Streuprozess verloren geht? Für einen Kunden haben wir eine Methode entwickelt, um im nicht-sequentiellen Modus eine Strahlverteilung an einer geeigneten Zwischenfläche aufzuzeichnen und mit einem Sobol-verteilten Strahldatensatz gleicher Charakteristik nachzubilden. Dadurch konnten Ergebnisse mit hohem SNR erzielt werden, ohne dass die Anzahl der Analysestrahlen unverhältnismäßig hoch gewählt werden musste.

Haben Sie eine eigene Knobelaufgabe? Dann kontaktieren Sie uns! Wir lösen sie gerne für Sie!

Auf Wunsch können wir Ihnen auch weitere Beispiele vorstellen!

Seitenanfang top