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 Datendurchsatz-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 ungenau und unzuverlässig werden.
Anwendungsbeispiel: IMX676 mit integriertem HDR und Tone Mapping
Die Basler ace 2 mit Sonys IMX676 liefert bis zu 80 dB Dynamikumfang mit DOL HDR und kamerainternem Tone Mapping und erzeugt 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, auch bekannt als Line-Interleaved HDR, nimmt zwei Belichtungen in einem Zyklus auf. Dies geschieht indem lange und kurze Belichtungszeilen verschachtelt werden. Dadurch ist es möglich, helle und dunkle Bereiche gleichzeitig aufzunehmen ohne dass mehrere Bilder erforderlich sind.
Basler integriert DOL HDR direkt in die ace 2 IMX676 Kamera durch Optimierung auf Firmware-Ebene und integriertes Tone Mapping. Diese Implementierung liefert eine Ausgabe mit hohem Dynamikbereich, die sofort für die Visualisierung oder Verarbeitung zur Verfügung steht. Nicht erforderlich sind dazu eine externe Synchronisation, ein komplexes Belichtungs-Timing oder eine Host-seitige Bildzusammenführung.
Das Ergebnis: nahtlose Erfassung sehr heller und dunkler Bildbereiche in einer einzigen Aufnahme. Diese 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 mit Hilfe von Zeilenverschachtelung 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.
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 | Mehrfachbelichtung von Bildern |
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 | Belichtungsmodus | FPS-Auswirkungen | Robustheit der Bewegung | Auflösung | Bildqualität (SNR) | Dynamikbereich Gain (dB) |
Software | Mehrfachbelichtung | 1/N | Statisch | Vollständig | ♦♦♦♦ | +N×☀ |
|---|---|---|---|---|---|---|
Belichtungs-Fusion | Mehrfachbelichtung | 1/N | Statisch | Vollständig | ♦♦♦ | +N×☀ |
Binning-Fusion | Einzelbelichtung | 1 | Gut | Verringert | ♦♦♦ | +☼ |
Dual ADC (IMX53X) | Einzelbelichtung | 1 | Gut | Vollständig | ♦♦ | +☀ |
Dual digitaler Gain | Einzelbelichtung | 1 | Gut | Vollständig | ♦ | +☀ |
Clear HDR (IMX676) | Einzelbelichtung | 1 | Gut | Vollständig | ♦ | +☀ |
DOL HDR (IMX 676) | Mehrfachbelichtung innerhalb eines einzelnen Bildzyklus | 1 | Mäßig | Vollständig | ♦♦♦ | +☼~☀ |
Quad HDR (IMX900) | Mehrfache Belichtungszeiten in einer einzigen Szene mit Pro-Pixel-Kontrolle | 1 | Ausgezeichnet | 1/4 | ♦♦♦♦ | +☀☀ |
IMX490 | Einzelbelichtung HDR auf Pixelebene | 1 | Ausgezeichnet | 1/4 | ♦♦♦ | +☀☀ |
Anmerkung:
N = Anzahl der Belichtungen | ☀ ≈ +24 dB Gain (Doppelbelichtung) | ☼ ≈ +12 dB Gain (Einweg- oder Teil-HDR)
Der tatsächliche Gain des Dynamikbereichs hängt vom Sensordesign, dem Inhalt der Szene und der Implementierung ab. Anstelle von Zahlenwerten werden Symbole verwendet, um die relative Leistungsfähigkeit zu verdeutlichen. Eine feste Leistung unter allen Bedingungen ist jedoch nicht impliziert.
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 ein flexibles Portfolio für unterschiedliche Bewegungs- und Bildgebungsanforderungen:
IMX676-basiertes DOL HDR: Ausgewogene Leistung für dynamische Szenen und Echtzeit-Ausgabe
In-Kamera Tone Mapping: Ermöglicht anzeigefähige 8-Bit-Bilder direkt von der Kamera
Verschiedene HDR-Bildgebungslösungen: Optimiert für Kompromisse bei Bewegung, Auflösung und SNR
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