Grundlagen von Bildverarbeitungssystemen

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?

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.

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.

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.

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.