Farbfehler vermeiden und der Einfluss auf Bildrate und Rechenlast
In der industriellen Bildverarbeitung spielt Farbe eine wichtige Rolle. Sie hilft zum Beispiel bei der Fehlererkennung in der Druckbildkontrolle. Für eine zuverlässige Inspektion müssen Farbfehler verhindert werden. Jedoch kann die Vermeidung von Farbfehlern Einfluss auf andere Parameter wie Bildrate und Rechenlast des Hostsystems haben.
Farbfehler vermeiden – Die Theorie
Wo und wie Farbbilder berechnet und in welchem Format sie von der Kamera an das Hostsystem übermittelt werden, beeinflusst den Farbfehler.
Rohbild
Nach der Inbetriebnahme übermitteln Industriekameras Bildinformationen standardmäßig im Bayer 8-bit Format, d.h. als Rohbild mit Bayer-Matrix des Bildsensors, an das Hostsystem.
Nehmen Sie eine Basler Farbkamera in Betrieb, sehen Sie im pylon Viewer nicht das Rohbild, sondern das Bild nach einer einfachen Farbbildberechnung (2x2-Debayering) auf dem Hostsystem. Nach dieser einfachen Berechnung weist das Bild Farbartefakte auf, die vermieden werden können, z.B. schon in der Kamera.
Debayering-Ort
Die Farbbildberechnung aus den Rohdaten von Bildsensoren mit Bayer-Matrix heißt Debayering. Sie kann vor der Datenübertragung in der Kamera (Ausgabeformate: RGB8, YCbCr-Varianten) oder nach der Datenübertragung auf dem Hostsystem (Ausgabeformate: Bayer RAW-Formate) erfolgen.
Findet das Debayering auf dem Hostsystem statt, wird dieses stärker ausgelastet. Außerdem lassen sich Farbfehler zum Beispiel an Farbkanten nur mit einem sehr aufwändigen Debayering vermeiden. Erste Wahl ist daher, das Debayering im FPGA der Kamera durchzuführen.
Debayering-Algorithmus
Das Debayering ist ein Algorithmus, der per Interpolation aus den Rohdaten des Bayer-Sensors das Farbbild berechnet. Beim einfachen 2x2-Debayering berücksichtigt der Algorithmus die nächstgelegenen Pixel. Beim 5x5-Debayering – Teil des patentierten In-Kamera PGI-Feature-Sets von Basler – gehen 24 Pixel in die Berechnung ein.
Die Berechnung mit mehr Pixeln führt zu einem besseren Ergebnis: Übergänge zwischen unterschiedlichen Farben werden klarer und Artefakte verschwinden.
Bilddatenübertragung
Das berechnete Farbbild übergibt die Kamera anschließend an das Hostsystem. Dafür stehen zahlreiche Pixelformate wie RGB8, YCbCr422_8 oder YCbCr420_8 zur Wahl. Das RGB8 Format enthält die meisten Farbinformationen und ist am größten. YCbCr422_8 enthält weniger Farbinformationen und ist kleiner, YCbCr420_8 enthält die wenigsten Farbinformationen und ist am kleinsten.
Werden weniger Farbinformationen übermittelt, kommt es zu Farbartefakten.
Fazit: Um Farbfehler zu vermeiden, liegt der Schlüssel in der Wahl der richtigen Debayering-Methode und der richtigen Übertragung der Farbbilddaten. Optimale Farbbilder erzielen Sie per 5x5-Debayering in der Kamera und anschließender Datenübertragung im RGB8 Pixelformat.
Das Zusammenspiel von Farbfehler, Bildrate und Rechenlast
Je nachdem wie perfekt Ihr Farbbild sein soll, ändern sich Bildrate und Rechenlast des Hostsystems Ihrer Anwendung. Es gibt drei Szenarien.
Maximale Bildqualität
Sie wählen den Kamera-FPGA als Rechenort für das 5x5-Debayering und übermitteln die perfekten Farbbilder im optimalen, aber gleichzeitig größten RGB8 Format an das Hostsystem. Mit der Übertragung der großen Datenmenge von der Kamera zum Hostsystem sinkt die Bildrate. Sie liegt bei 33 % des Maximums. Es steht die gesamte Rechenkapazität des Hostsystems für eine weitere Bildverarbeitungs- oder Bildanalyse-Anwendung zur Verfügung.
Ausgewogene Bildqualität und Bildrate
Sie wählen den Kamera-FPGA als Rechenort für das 5x5-Debayering, übergeben die perfekten Farbbilder aber im kleineren YCbCr422_8 oder YCbCr420_8 Format an das Hostsystem. Es werden weniger Farbinformationen übermittelt und es kommt zu Farbartefakten. Da die Datenmenge geringer ist, erreichen Sie eine höhere Bildrate von etwa 50 % (YCbCr422_8) bis 67 % (YCbCr420_8) des Maximums. Es steht die gesamte Rechenkapazität des Hostsystems für eine weitere Bildverarbeitungs- oder Bildanalyse-Anwendung zur Verfügung.
Maximale Bildrate
Ist eine hohe Bildrate in Ihrer Anwendung doch wichtiger als die Vermeidung von Farbfehlern? Um die maximale Bildrate der Kamera zu nutzen, erfolgt das Debayering auf dem Hostsystem mit den standardmäßig von der Kamera übermittelten Daten im Bayer 8bit Format. Welche Debayering-Art Sie wählen, bestimmt, wie erfolgreich Farbartefakte vermieden werden und wie hoch die Auslastung des Hostsystems ist. Es besteht eine gegenläufige Abhängigkeit: geringe Farbfehler bedeuten eine hohe Rechenlast und andersrum. In jedem Fall ist die Rechenlast des Hostsystems höher als in Szenario 1 und 2 und es steht weniger Rechenkapazität für eine weitere Bildverarbeitungs- oder Bildanalyse-Anwendung zur Verfügung.
Die richtige Wahl treffen: Tools simulieren Farbfehler und Bildrate
Sie sind unsicher, welches Szenario für Sie das beste ist? Ob geringfügige Farbfehler akzeptabel sind, weil die Bildrate steigt? Wir haben zwei Tools, die Sie bei der Wahl unterstützen.
Color Artifact Visualizer
Laden Sie ein Bild aus Ihrer Anwendung in unseren Color Artifact Visualizer, um zu sehen, wie Pixelformat und Debayering-Methode den Farbfehler ΔE beeinflussen.
Das RGB-Bild ist das Referenzbild ohne Farbfehler. Das in der Kamera per 5x5-Debayering berechnete Bild, wird im RGB-Format an das Hostsystem übermittelt.
YCbCr422_8 und YCbCr420_8 zeigen geringe Farbfehler, denn die in der Kamera per 5x5-Debayering berechneten Farbbilder werden in den kleineren Formaten an das Hostsystem übergeben.
Bei den drei Bayer8-Formaten ist der Farbfehler vor allem an Farbkanten deutlich sichtbar. Das Debayering erfolgt auf dem Hostsystem mit dem standardmäßig übermittelten Bayer 8-bit Format. Die drei Formate zeigen unterschiedliche Debayering-Arten.
Frame Rate Calculator
Unser Frame Rate Calculator gibt die Bildrate an, die Sie mit Ihrer Kamera und dem für Sie passenden Pixelformat erreichen.
Wählen Sie Ihr Kameramodell und mindestens das Pixelformat aus. Klicken Sie auf "Berechnen" und Sie erhalten die maximale Bildrate.
Unsere Kameras mit 5x5-Debayering im In-Kamera PGI-Feature-Set
Das 5x5-Debayering ist Teil des patentierten In-Kamera PGI-Feature-Sets. Der Algorithmus sorgt für hervorragende Farbbilder.
