Grundlagen der Bildverarbeitung

Grundlagen von Bildverarbeitungssystemen

Lebensmittel in Topform und was haben Bildverarbeitungssysteme damit zu tun?

Lebensmittel sollen frisch sein und appetitlich aussehen. Damit das gewährleistet ist, werden oft Bildverarbeitungssysteme für die Qualitätskontrolle der Produkte eingesetzt. Durch die Bildinformationen kann der Produzent Entscheidungen treffen, die ohne Kameradaten oft nicht möglich wären.

Aber wie wird ein solches System konzipiert? Welche Schritte sind dazu nötig, was muss man beachten und was für Möglichkeiten gibt es?

Kameraauswahl, Objektiv- und Beleuchtungsauswahl, Beurteilung der Bildqualität sowie die Auswahl von PC-Hardware und Software und die Konfiguration aller Komponenten – all das sind wichtige Schritte hin zu einem leistungsfähigen Bildverarbeitungssystem.

Stellen Sie sich vor, ein Apfelbauer bittet Sie, ein Bildverarbeitungssystem zu konzipieren, das seine Äpfel inspizieren soll. Er möchte gleichbleibende Qualität liefern, schlechte Äpfel aussortieren und schnell arbeiten. Um folgende Fragestellungen muss er sich kümmern:

Was sind die genauen Anforderungsdefinitionen an das System?
Welche Auflösung und welchen Sensor benötige ich?
Möchte ich eine Farb- oder Monochromkamera einsetzen?
Welche Kamerafunktionen benötige ich und welche Bildqualität reicht aus?
Das Auge der Kamera: Maßstab und Abbildungsleistung
Welche Beleuchtung sollte ich einsetzen?
Welche PC-Hardware ist erforderlich?
Welche Software ist erforderlich?

Wissen, was gefordert ist: Anforderungsdefinition

Was genau soll das System unter welchen Bedingungen leisten?

Diese Frage wirkt so selbstverständlich, dass sie eher am Rande und oft nicht so gründlich beantwortet wird, wie es eigentlich wünschenswert wäre. Wenn Sie aber am Anfang genau wissen, was Sie wollen, sparen Sie später Zeit und Geld.

Soll Ihr System

nur Bilder des zu untersuchenden Objektes anzeigen und z.B. durch Vergrößerung oder bestimmte Beleuchtung für das menschliche Auge nicht erkennbare Produkteigenschaften sichtbar machen?
objektive Produkteigenschaften wie Größe oder Maßhaltigkeit errechnen?
eine korrekte Positionierung – z. B. durch einen Bestückungsautomaten überprüfen?
Merkmale bestimmen, aufgrund derer das Produkt einer bestimmten Produktklasse zugeordnet wird ?

Auflösung und Sensor

Welche Kamera wird für eine Anwendung benötigt? Aus der Anforderungsdefinition können wir bereits Zielgrößen für Auflösung bzw. Sensorgröße der Kamera ableiten.

Doch was bedeutet Auflösung? In der klassischen Fotografie wird mit Auflösung beschrieben, wie weit zwei Punkte oder Linien in der Realität minimal voneinander entfernt sein dürfen, damit sie im Bild als getrennt wahrgenommen werden können.

Bei Digitalkameras spricht man häufig von einer „Auflösung von z.B. 2 Megapixel“. Bei dieser Angabe handelt es sich aber lediglich um die Anzahl der Pixel auf dem Sensor, nicht aber um die Auflösung. Die eigentliche Auflösung wird auch hier bestimmt durch das Gesamtpaket aus Kamera, Objektiv und der Geometrie, d.h. den Abständen im Aufbau. Da man aber für eine hohe Auflösung eine große Anzahl an Pixeln braucht, ist die Angabe der Pixelanzahl wichtig. Sie bestimmt, was unter optimalen Bedingungen an maximaler Auflösung möglich ist.

Feine Auflösung oder großer inspizierter Bereich – beides bedeutet, dass die Kamera möglichst viele Pixel haben muss. Gegebenenfalls sind mehrere Kameras nötig, um einen großen Bereich mit hoher Auflösung inspizieren zu können. Oft sind mehrere Kameras mit Standardobjektiven günstiger, als eine einzelne Kamera, für die man dann aufgrund des Abbildungsmaßstabs ein Spezialobjektiv braucht.

Aus der Sensorgröße und dem Objektfeld ergibt sich dann auch der Abbildungsmaßstab, der später für die Auswahl des Objektivs wichtig ist.

Farbe oder Monochrom?

Generell ist der Einsatz einer Farbkamera nicht unbedingt notwendig. Oft ist es für den Betrachter aber angenehmer, Bilder in Farbe zu sehen. Für 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 Apfel), ist zwar oft, aber nicht immer eine Farbwiedergabe nötig. Diese Merkmale zeigen sich evtl. auch bei farbiger Beleuchtung im S/W-Bild einer monochromen Kamera. Experimente an guten Proben helfen hier weiter. Ist Farbe nicht relevant, ist eine monochrome Kamera vorzuziehen, da Farbkameras durch die Farbfilter immer unempfindlicher sind als S/W Kameras.

Ist Ihre Inspektionsaufgabe sehr komplexer? Dann sollten Sie in Betracht ziehen, mehrere Kameras einzusetzen, z.B. wenn ganz unterschiedliche Merkmale zu erfassen sind, von denen jede eine andere Beleuchtung oder Optik erfordert.

Was die Kamera sonst noch bietet: Kamerafunktionen und Bildqualität

Nicht nur die Anzahl der Pixel macht eine gute Kamera aus. Achten Sie auf Bildqualität und Kamerafunktionen.

Wichtig für die Bildqualität einer Digitalkamera sind außer der Auflösung hauptsächlich noch:

Lichtempfindlichkeit
Dynamikbereich
Signal-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio)

Bei den Kamerafunktionen ist eine der wichtigsten die Geschwindigkeit oder auch Bildrate (fps, frames per second). Sie sagt aus, wie viele Bilder maximal pro Sekunde aufgenommen werden können.

Das Auge der Kamera: Maßstab und Abbildungsleistung

Eine gute Optik ist teuer. In vielen Fällen tut es aber auch das Standardobjektiv. Um zu entscheiden, was benötigt wird, brauchen Sie Angaben über Parameter wie

Objektivanschluss
Pixelgröße
Sensorgröße
Abbildungsmaßstab, d.h. das Verhältnis von Bild- zu Gegenstandsgröße. Das entspricht auch dem Verhältnis der Größe des einzelnen Pixels geteilt durch die Pixelauflösung (die Pixelauflösung ist die Kantenlänge desjenigen Quadrats auf dem untersuchten Objekt, das auf dem Kamerasensor genau ein Pixel ausfüllt.
Brennweite des Objektivs, aus der sich der Abbildungsmaßstab und der Abstand zwischen Objekt und Kamera ergibt
Lichtstärke

Mit diesen Angaben kann man die Datenblätter der Objektivhersteller durchforsten und z. B. zunächst prüfen, ob ein preisgünstiges Standardobjektiv schon reicht, bevor man Objektive der höheren Preisklassen in Erwägung zieht.

Objektiveigenschaften wie Verzeichnung, Auflösung (beschrieben durch die MTF-Kurve), chromatische Aberration oder der Spektralbereich, für den das Objektiv optimiert ist, können weitere Entscheidungskriterien sein.

Es gibt z. B. spezielle Objektive fürs nahe Infrarot, extreme Weitwinkelobjektive (Fischaugen) oder telezentrische Objektive, die sich besonders für Längenmessungen eignen. Für solche Spezialeigenschaften der Objektive zahlt man aber oft einen hohen Preis.

Auch hier gilt: zur Klärung offener Fragen helfen Tests und Beispielaufnahmen.

Beleuchtung

Bei schlechtem Licht erkennt man nichts: diese banale Weisheit gilt auch für Bildverarbeitungssysteme.

Hohe Inspektionsgeschwindigkeiten erfordern oft empfindliche Kameras und lichtstarke Objektive. Häufig kann man aber mit geringerem Aufwand die Beleuchtung modifizieren oder optimieren und so den gleichen Zugewinn für Bildhelligkeit erreichen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, höhere Bildhelligkeit zu erreichen: das Umgebungslicht erhöhen, das Licht formen, etwa durch Linsen oder Blitzen einer geeigneten Lichtquelle. Es ist aber nicht nur die Beleuchtungsstärke wichtig, sondern auch auf welchem Weg da Licht über das Objekt in die Kamera gelangt.

Ein Beispiel kennt wohl jeder aus der Fotografie, Umgebungslicht ist meist diffus, reicht das aber nicht aus, setzt man einen Blitz ein, der deutlich gerichteter ist – und hat dann meist ungewollte Reflektionen von glatten Oberflächen im Bild, die die eigentlichen Details überstrahlen. In der BV können solche Effekte aber gewünscht sein, um an wenig reflektierenden, geraden Oberflächen hohe Lichtintensitäten zu erzielen. Für Objekte mit vielen Flächen die in verschiedene Richtungen reflektieren ist diffuses Licht besser geeignet.

Ein Bild schaut man sich im Auflicht an, ein Buntglasfenster dagegen entfaltet erst im Durchlicht seine Schönheit.

PC-Hardware

Welche Hardware man benötigt, ist abhängig von der Aufgabe und der geforderten Verarbeitungsgeschwindigkeit.

Während einfache Aufgaben mit PC-Hardware und Standard-Bildverarbeitungspaketen erledigt werden können, ist für komplexe und schnelle Bildverarbeitungsaufgaben u. U. spezialisierte Hardware erforderlich.

Software

Zur Auswertung der Bilder wird eine Software benötigt. Die meisten Kameras enthalten bereits eine Anwendersoftware, die das Anzeigen von Bildern und das Konfigurieren der Kamera erlaubt. Das reicht zur ersten Inbetriebnahme aus. Für spezielle Anwendungen und Bildverarbeitungsaufgaben muss aber spezielle Software eingesetzt bzw. entwickelt werden.

Fazit

Die Konzeption eines Bildverarbeitungssystems erfordert eine Vielzahl von Überlegungen bezüglich aller verwendeten Komponenten von der Kamera und ihrer Optik über die Beleuchtung bis hin zur verwendeten PC-Hard- und Software.

Doch diese Aufgabe lässt sich Stück für Stück gut bewältigen, wenn man im Vorfeld gründlich klärt, worin die Aufgabe besteht und was die Randbedingungen sind. Wenn Sie mehr zu diesem Thema erfahren möchten, lesen Sie unser umfassenderes White Paper zu diesem Thema.

Kommentar

Dr. Britta Niederjohann hat ihr breites Wissen im Bereich Bildverarbeitungssysteme über die Jahre durch verschiedene Tätigkeiten in unterschiedlichen Produktbereichen angeeignet: „Ich betreue Kunden bei der Wahl der Kamera. Hierbei ist meine Erfahrung aus der Bildverarbeitung von Vorteil, denn dadurch kann ich die Anwendungsfälle der Kunden besser verstehen und für jeden Kunden die jeweils beste Kameralösung ableiten.“

Wir bieten die richtige Kamera auch für Ihr Bildverarbeitungssystem

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