Beleuchtung in der Bildverarbeitung

Wenn ich die Schrift auf einem Papier nicht lesen kann, gibt es eine einfache Lösung: Ich halte den Text unter eine Lampe. Wenn ich schwache Konturen auf dem Papier besser erkennen möchte, halte ich das Blatt gegen das Licht, um die Umrisse besser sehen zu können. Art und Intensität der Beleuchtung helfen hier also weiter.

Auch in Bildverarbeitungssystemen spielt neben Kamera mit Sensor, Optik und Software das Licht eine große Rolle. Da das natürliche Licht für die meisten Anwendungen nicht ausreicht oder von seinen Eigenschaften nicht geeignet ist, wird oft eine (zusätzliche) künstliche Beleuchtung benötig. Investiert man Geld in eine optimierte Beleuchtung, werden sowohl Programmier- als auch Bildanalysekosten reduziert. Deshalb lohnt es sich, für die sorgfältige Auswahl der Beleuchtung Zeit zu investieren. Eine gut ausgewählte Beleuchtung hat Einfluss auf die Darstellungsqualität und somit auf die Leistungsfähigkeit des Bildverarbeitungssystems.

Wie finde ich die richtige Beleuchtung für meine Anwendung?

Keine Angst, es gibt zwar viele verschiedene Beleuchtungsarten und -techniken, aber 80% der Anwendungen kommen mit den folgenden Beleuchtungsarten aus:

Ringlight
Barlight (enthält auch Spotlights)
Backlight

Ringlight, Barlight, Backlight

Was die Beleuchtungstechnik angeht, entwickelt sich der Trend eindeutig in Richtung LED-Beleuchtung. Sie ist preiswerter und effizienter als z. B. Halogenlampen oder Leuchtstoffröhren.

Es gibt einfache Selektionsmöglichkeiten, um die passende Beleuchtung für mein System herauszufinden. Zunächst muss ich entscheiden, welche Objektmerkmale ich sichtbar machen möchte. Weiterhin sind Eigenschaften des betrachteten Objektes wichtig. Aus welchem Material ist es? Reflektiert oder absorbiert es das Licht? Um was für eine Struktur, Geometrie und Farbe geht es? Weiterhin beeinflussen der Bewegungszustand sowie gegebene Lichtverhältnisse und der Abstand zum Objekt die Wahl der Beleuchtung. Anhand dieser Faktoren kann ich meine Beleuchtung treffsicher bestimmen oder zumindest die Möglichkeiten stark eingrenzen.

Anwendungsbeispiele

Dass die Winkel, unter denen das Objekt beleuchtet wird, eine Rolle spielen, sieht man an folgenden Beispielen:

Möchte ich mit meinem Vision System Kratzer erkennen, dann empfiehlt sich, Licht von der Seite einzusetzen. Der Kratzer reflektiert das streifend einfallende Licht in Richtung Kamera und erscheint hell.

Möchte ich keine Kratzer sehen, sie sozusagen ausblenden, dann beleuchte ich das Objekt aus vielen verschiedenen Winkeln, z. B. von oben mit einem Ringlight, sodass keine Schatten entstehen und andere Merkmale, z.B. Farbe oder Aufdruck, ohne Störungen erkennbar werden.

Roter Bonbon unter rotem Licht oder Druckstellen erkennen - Welche Rolle spielt die Farbe bei der Beleuchtung?

Benötigt man eine realistische Farbwiedergabe, ist eine Farbkamera im Zusammenspiel mit weißer Beleuchtung notwendig. Wenn Merkmale über die Farbe detektiert werden können (z. B. rote Flecken auf dem Objekt), ist zwar oft, aber nicht immer eine Farbwiedergabe nötig. Häufig zeigen sich diese Merkmale auch durch Einsatz farbiger Beleuchtung auch im S/W-Bild einer monochromen Kamera. Zur Verdeutlichung dient folgende Inspektionsaufgabe: Rote Bonbons sollen von blauen unterschieden werden. Hier reicht es aus, rotes Licht zu verwenden. Die roten Bonbons erscheinen sehr hell, die blauen dunkel, weil das rote Licht von dem roten Bonbon vollständig reflektiert, vom blauen zu großen Teilen absorbiert wird. Die Lichtquelle ist somit entscheidende Komponente eines Vision Systems.

Monochrome Lichtquellen sorgen häufig für eine schärfere Abbildung, da es keine chromatischen Effekte des Objektivs geben kann.

Welche Rolle spielt die Farbe bei der Beleuchtung?

Optional können die LED Beleuchtungen auch im Blitzbetrieb eingesetzt werden. Diese Variante sollte nur gewählt werden, wenn dadurch keine Menschen gestört werden. Die Vorteile des Blitzbetriebs sind, dass weniger Wärme erzeugt wird und die Beleuchtungsmodule folglich heller sind und eine längere Lebensdauer aufweisen. Für optimalen Blitzbetrieb ist oftmals ein Controller notwendig, der bei einigen guten geblitzten LED-Beleuchtungen bereits integriert ist und somit einfacher zu konfigurieren ist.

Ein Vorteil bei Licht mit spezifischer Wellenlänge ist, dass dadurch Merkmale zum Vorschein kommen können, die sonst nicht sichtbar sind. So lassen sich Druckstellen an Obst besonders gut mit Infrarot (IR)-Licht detektieren. Infrarotlicht befindet sich außerhalb des für den Menschen sichtbaren Spektrums.

Wo bekomme ich die passende Beleuchtung?

Viele Kunden bauen ihre Beleuchtung für ihre Anwendungsaufgabe selbst. Dies ist vermeintlich die preiswerteste und für die Aufgabe optimal angepasste Lösung. Oft wird aber vergessen, dass die firmeninternen Mitarbeiter während der Arbeit an den Lichtkomponenten nicht für die Wertschöpfung im Kerngebiet der Firma zur Verfügung stehen. Der hierdurch verlorengegangene Umsatz muss für eine realistische Rechnung den vermuteten Einsparungen gegenüber gestellt werden. Nur wenn eine sehr spezielle Lösung für die eigene Anwendung benötigt wird und internes Personal mit entsprechendem Know-how zur Verfügung steht, lohnt sich der Selbstbau.

Fazit

Bei Bildverarbeitungssystemen ist die richtige Beleuchtung für Inspektionsaufgaben unerlässlich. Mit gut ausgewählter Beleuchtung nimmt man entscheidenden Einfluss auf die Darstellungsqualität und damit auf die Leistungsfähigkeit des Systems. Die Beleuchtung trägt maßgeblich dazu bei, ob eine Inspektionsaufgabe effizient gelöst wird. Es ist nicht schwer, die richtige Beleuchtung für Ihr Vision System zu finden. 80% der Anwendungen arbeiten gut mit LED Ring-, Bar- oder Backlights. Häufig kann der Nutzer mit geringerem Aufwand die Beleuchtung modifizieren oder optimieren und so einen Zugewinn an Bildhelligkeit erreichen.