HDR-Bildgebung und Tone Mapping
Zuverlässige Defekterkennung bei herausfordernden Lichtverhältnissen
In der Industrie- und Elektronikfertigung kommen oft kontrastreiche Szenen mit hellen, reflektierenden Oberflächen neben dunklen, vertieften Bereichen vor. Standard-Bildgebungssysteme haben hier Schwierigkeiten, vollständige Details zu erfassen – insbesondere unter Durchsatz-Beschränkungen. Basler bietet ein Portfolio an HDR-Lösungen, die auf die Anforderungen an Bewegung, Kontrast und Durchsatz zugeschnitten sind. Dieser Use Case veranschaulicht, wie die IMX676-basierte DOL HDR-Option in der Praxis funktioniert.
Sichere Prüfung von reflektierenden, transparenten und schattigen Oberflächen
Viele Anwendungen zur Erkennung von kontrastarmen, mikroskopisch kleinen Defekten sind häufig mit extremen Kontrastsituationen konfrontiert. Diese stellen eine erhebliche Herausforderung für die Bildgebung dar. Zu den typischen Anwendungsszenarien gehören:
In diesen anspruchsvollen Szenarien bleibt selbst unter einem optimalen Beleuchtungsdesign der grundlegende optische Konflikt teilweise bestehen: helle, reflektierende Bereiche richtig zu belichten, ohne sie überzubelichten, andererseits genügend Details in dunklen Bereichen zu erfassen, ohne sie unterzubelichten.
Herkömmliche Bildgebungsverfahren haben Schwierigkeiten, wichtige Details über den gesamten Dynamikbereich dieser kontrastreichen Szenen gleichzeitig zu erfassen. Diese Einschränkung führt häufig zum Verlust wesentlicher Informationen in den sehr hellen und dunklen Bildbereichen. Dadurch kann die Fehlererkennung in Anwendungen mit Präzisions-Inspektionen ungenau und unzuverlässig werden.
Anwendungsbeispiel: IMX676-basiertes HDR mit Baslers kamerainternem Tone Mapping
Die Basler ace 2 mit Sonys IMX676 Sensor liefert über 90 dB Dynamikumfang mit DOL HDR. Dank der in der Kamera implementierten Tonwertanpassung (Tone Mapping) liefert sie direkt ausgewogene Bilder ohne Host-seitige Verarbeitung. Sie unterstützt Bayer8-, Bayer16-, RGB8- und YCbCr-Ausgabe für die Anzeige und die algorithmische Verwendung.
Nutzen Sie DOL HDR für nahtlose Aufnahmen heller und dunkler Bildbereiche
Digital Overlap (DOL) HDR wurde für Rolling Shutter-Sensoren entwickelt, bei denen die Zeilen nacheinander belichtet werden. Anstatt zu warten, bis das gesamte Bild fertig belichtet ist, beginnt DOL HDR mit der nächsten Belichtung, während die erste noch läuft. Diese Überlappung ermöglicht HDR innerhalb einer einzigen Bildperiode, ohne dass mehrere Vollbildaufnahmen erforderlich sind.
Basler integriert DOL HDR direkt in die ace 2 IMX676 Kamera durch Firmware-Optimierung und integriertes Tone Mapping. Diese Implementierung liefert eine Ausgabe mit hohem Dynamikbereich, die sofort für die Visualisierung oder Verarbeitung zur Verfügung steht. Eine externe Synchronisation, ein komplexes Belichtungs-Timing oder eine Host-seitige Bildzusammenführung sind hierfür nicht notwendig.
Das Ergebnis: nahtlose Erfassung sehr heller und dunkler Bildbereiche in einem einzigen Bild. Dieses ist ideal, um Defekte wie Mikrorisse, Kratzer oder Verunreinigungen zu erkennen – selbst in Szenen mit hohem Reflexionsgrad oder starkem Kontrast.
Von den Rohdaten zur Anzeige: Die Rolle des Tone Mapping
HDR-Sensoren wie der IMX676 geben Daten mit hoher Bittiefe aus (z. B. 16-Bit-Bayer), wodurch der volle Dynamikbereich in den sehr hellen und dunklen Bildbereichen erhalten bleibt. Tone Mapping komprimiert diesen Dynamikbereich nichtlinear in 8-Bit-Formate (z. B. Bayer8, RGB, YCbCr) für die Anzeige auf Standardmonitoren. Bei der ace2 IMX676 ist das Tone Mapping direkt in die Kamera-Firmware integriert. Dies ermöglicht natürlich wirkende Bilder in Echtzeit ohne zusätzliche Host-seitige Verarbeitung.
Für Bildverarbeitungs-Anwendungen, welche die Bilder algorithmisch verarbeiten, ist Tone Mapping jedoch optional. Die Algorithmen arbeiten direkt mit den Rohdaten mit hoher Bit-Tiefe, wobei der volle Dynamikbereich und die Präzision erhalten bleiben.
Kamerainternes DOL HDR und Tone Mapping vs. Softwarelösung
Kamerainternes DOL HDR mit Tone Mapping bietet erhebliche Vorteile gegenüber softwarebasierten HDR-Ansätzen wie OpenCV. Da sich die Belichtungen überlappen, wird der zeitliche Abstand zwischen langen und kurzen Belichtungen deutlich verringert. Dies ist bei der Softwareverarbeitung nicht der Fall. DOL HDR führt zu einer schnelleren und genaueren HDR-Ausgabe, insbesondere bei Echtzeit- und bewegungsempfindlichen Anwendungen. Die nachfolgende Tabelle stellt die Hauptunterschiede gegenüber.
Eigenschaften | ace 2 IMX676 mit DOL HDR + Tone Mapping | Softwaregestütztes HDR (z. B. OpenCV) |
Verarbeitungsgeschwindigkeit | Echtzeit in der Kamera | Langsam, erfordert CPU/GPU-Verarbeitung |
|---|---|---|
Latenz | Sehr niedrig | Hoch |
Bewegungsartefakte | Minimiert | Höheres Risiko von Ghosting |
Bandbreiteneffizienz | Einzelbild-optimierte Ausgabe | Übertragung mehrerer Bilder |
Anwendungsfälle | Industrielle Bildverarbeitung | Fotografie; Nachbearbeitungsszenarien |
HDR-Methoden im Vergleich: Wählen Sie die richtige für Ihre Anwendung aus
Der IMX676 Sensor mit DOL HDR und Tone Mapping ist für viele Mainstream-Anwendungsfälle ideal. Basler unterstützt darüber hinaus mehrere HDR-Methoden, die jeweils auf spezifische Anforderungen zugeschnitten sind.
HDR-Methoden | Technik | Auswirkung auf die Bildrate | Robustheit gegenüber Bewegung | Auflösung | Bildqualität (SNR) | Dynamikbereich2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
Aufnahme mehrerer Bilder mit unterschiedlichen Belichtungszeiten | ||||||
Mehrfachbelichtung | Mehrfache (N) Bilder, Kombination und Tone Mapping auf dem Host-System durchgeführt | 1/N | Gering | Vollständig | ♦♦♦ | +(N-1) x ■■ |
DOL HDR1 (z. B. IMX 676) | Zwei Belichtungen mit kamerainterner Verarbeitung (Kombination und Tone Mapping) | Mäßig | Mäßig | Vollständig | ♦♦♦ | +■■⧠⧠ |
Quad HDR1 (z. B. IMX900) | Mehrfache Belichtungszeiten in einer einzelnen Szene mittels Per-Pixel-Kontrolle | Keine | Gut | 1/4 | ♦♦♦♦ | +■■■■ |
Interleaved HDR (z. B. GMAX Sensoren) | Zwei unterschiedliche Belichtungszeiten Zeile für Zeile innerhalb einer einzelnen Bildaufnahme | Keine | Gut | 1/2 | ♦♦♦ | +■■⧠⧠ |
Eine Bildaufnahme, multiple Verstärkungen | ||||||
Dual Gain | Einzelne Belichtung, welche denselben Pixel mit zwei unterschiedlichen Verstärkungen liest | 1/2 bis mäßig, abhängig vom Sensor | Gut | Vollständig | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
Dual Conversion Gain (DCG)1 (z. B. IMX53X Serie) | Einzelne Belichtung, welche denselben Pixel mit zwei unterschiedlichen Verstärkungen liest | Keine | Gut | Vollständig | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
Clear HDR1 (z. B. IMX676) | Einzelne Belichtung, welche denselben Pixel mit zwei unterschiedlichen Verstärkungen liest | Keine | Gut | Vollständig | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
Eine Bildaufnahme, andere Techniken | ||||||
Binning-Fusion | Kombinieren benachbarter Pixel (N) innerhalb eines Bildes | Keine | Gut | 1/N | ♦♦♦ | +◪⧠⧠⧠ |
IMX490 | Jeder Pixel hat zwei sensitive Bereiche | Keine | Exzellent | Vollständig | ♦♦♦ | +■■■■ |
Fußnote:
1. Feature von Sony
2. Die tatsächliche Verbesserung des Dynamikbereichs hängt von der Sensorarchitektur, den Szeneneigenschaften und der Implementierung ab. Die Symbole geben die relative Leistungsfähigkeit an und bedeuten keine feste oder garantierte Leistung. Ein volles Kästchen steht für 12dB, ein halbes Kästchen für 6dB.
Der Schlüssel zu einer erfolgreichen HDR-Implementierung liegt im Verständnis Ihrer spezifischen Prüfanforderungen. Wenn Kunden mit schwierigen Beleuchtungsszenarien an uns herantreten, bewerten wir ihre Objektbewegungsmuster, Durchsatz- und Qualitätsanforderungen. Daraufhin empfehlen wir den optimalen HDR-Ansatz. Unser F&E-Team hat eine Reihe von HDR-Methoden entwickelt, die jeweils auf unterschiedliche Bewegungs-, Auflösungs- und Integrationserfordernisse zugeschnitten sind.
Zusammenfassung: Warum sollten Sie sich für Basler HDR-Bildgebung entscheiden?
Für Hochgeschwindigkeitslinien oder detailkritische Inspektionen gibt es nicht die eine HDR-Methode. Deshalb bietet Basler flexiblere HDR-Lösungen für unterschiedliche Bewegungs- und Bildgebungsanforderungen:
Umfangreiche Optionen: Umfasst Multi- und Einzelbelichtungsmethoden, Funktionen auf Sensorebene und FPGA-basierte Verarbeitung.
Integrationsfreundlich: Echtzeit-HDR und kamerainternes Tone Mapping reduzieren den Verarbeitungsaufwand auf der Host-Seite.
Skalierbar und zukunftssicher: Unterstützt die neuesten Sensortechnologien für künftige Inspektionsanforderungen.
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Unsere Ingenieure helfen Ihnen bei der Entscheidung, welche HDR-Lösung für Ihre Prüfanforderungen am besten geeignet ist, ob DOL HDR, Dual ADC oder Quad HDR.
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