Farbe erkennen

Dipl.-Ing. (FH) Roland Anzenberger, Applikationsingenieur für Bildverarbeitung, Matsushita Electric Works Deutschland GmbH, Holzkirchen

Ein Farbsystem bringt in erster Linie dort Vorteile, wo die Unterscheidung von Farben ein wichtiges Kriterium darstellt. Gegenüber dem punktuell messenden Farbsensor bietet ein Bildverarbeitungssystem deutlich mehr Möglichkeiten. Damit lassen sich zum Beispiel Flächengrößen bestimmen, Lageabweichungen feststellen und zulässige Farbtoleranzen eingrenzen. Im Vergleich zum grauwertbasierenden System lohnt sich der Einsatz, wenn auf kostenintensive Spezialbeleuchtung oder Farbfilter verzichtet werden kann.

Wer Zuhause am PC schon einmal seine Farbgrafiken oder Bilder ausgedruckt hat, der kennt die Probleme. Ein auf dem Monitor dargestelltes Bild hat plötzlich auf dem Drucker einen ganz anderen Farbton.

Erst wer sich genauer mit der Thematik befasst, wird feststellen, dass Farbe nicht gleich Farbe ist. Physikalisch ist einer Wellenlänge des Lichts eine Farbe zugeordnet. Die Strahlungsintensität des Lichts wird von uns als Helligkeit wahrgenommen. Nun ist es aber so, dass sich das menschliche Auge täuschen lässt. Eine gelbe Wellenlänge von 570 nm löst das gleiche Empfinden aus wie eine Kombination der Wellenlängen 620 nm (rot) und 520 nm (grün), obwohl aus dieser Kombination natürlich nicht eine Wellenlänge von 570 nm entsteht. Diese Verhaltensweise nutzt unsere heutige Technik aus. Eine Farb-CCD-Kamera hat lichtempfindliche Elemente in den Grundfarben Rot, Grün und Blau. Aus der additiven Mischung dieser drei Grundfarben werden alle anderen Farben gebildet. So besteht zum Beispiel die Farbe Mittelgrau aus 50% Rot, 50% Grün und 50% Blau. Dass sich Farben aus beliebig anderen Farben mischen lassen, kann aber auch ein Problem darstellen. Damit ein passiver Körper seine ureigene Farbe widerspiegelt, müsste dieser mit idealem weißen Licht angestrahlt werden. Alle künstlichen Lichtquellen liefern aber Licht mit inhomogenem Spektrum.

Als Beispiel sei hier die spektrale Lichtverteilung einer Leuchtstofflampe (Bild1) dargestellt. Diese Unzulänglichkeit einer realen Lichtquelle wird durch einen rechnerischen Weißabgleich ausgeglichen. Dazu muss dem System bzw. der Kamera eine weiße Fläche als Referenz vorgegeben werden. In der Kamera oder spätestens im Bildverarbeitungssystem wird dann die Verstärkung der einzelnen Grundfarben so ausgeregelt, dass alle die selbe Intensität von nahezu 100% liefern. Der Weißabgleich ist deshalb obligatorisch für die Farbbildverarbeitung.

Nach dieser Vorbereitung kann mit der Einrichtung der Prüfaufgabe begonnen werden. Hier zeigen sich die wahren Stärken des einfach zu bedienenden Farbsystems Colourchecker AX30. Die zu erkennenden Farben werden nicht über komplizierte Parameter vorgegeben, sondern einfach eingelernt. Über ein kleines Abtastfenster gibt der Benutzer die Sollfarbe vor. Muss zum Beispiel ein Farbverlauf von Orange nach Hellrot als zusammenhängende Fläche erkannt werden, dann lässt sich durch wiederholtes Lernen das tolerierte Farbspektrum einfach aufweiten. Besonders bei dreidimensionalen Teilen hat man oft das Problem, dass sich diese nicht homogen ausleuchten lassen. Ein und die selbe Farbe erscheint dann einmal heller oder dunkler. Auch mit dieser Gegebenheit kommt der AX 30 einfach zurecht. Ein simpler Menüaufruf erweitert die zulässige Helligkeitstoleranz schrittweise. Neben der übersichtlichen Menüstruktur überzeugt die üppige Hardwareausstattung des Systems. Referenzbilder, Setup-Eeinstellungen und Prüfprogramme lassen sich zusätzlich auf einer handelsüblichen Compaq-Flash Speicherkate sichern und somit ggf. auf einen PC übertragen. Frei belegbare optoentkoppelte Ausgänge fehlen ebenso wenig wie serielle Schnittstellen, Echtzeituhr, VGA-Monitorausgang und Ethernet-Anschluss. Mit der Unterstützung von zwei Progressiv-Scan-Farbkameras kann diese Auflistung abgeschlossen und auf die praktischen Einsatzmöglichkeiten übergegangen werden.

Einsatzbereiche für Farbsysteme ergeben sich vor allem in der Verpackungs-, Lebensmittel, Automobil- und Kunststoffindustrie.

Ein Hersteller von elektrischen Kleinantrieben hatte in seiner Produktion folgendes Problem: die Anschlüsse an einem Gleichstrommotor konnten erst nach der vollständigen Montage einer elektronischen Baugruppe angelötet werden. Auf eine Steckverbindung hatte man aus mechanischer Platznot verzichtet. Nachdem das Anlöten manuell erfolgt, musste dieser Vorgang vor dem Schließen des Gehäusedeckels geprüft werden. Wichtig ist dabei die farbliche Zuordnung der Anschlüsse. Ein Vertauschen von Rot und Blau würde zur Zerstörung der Baugruppe bei der Funktionsprüfung führen. Würden der schwarze Draht mit einer anderen Farben vertauscht, könnte dieser Fehler nach dem Verschließen des Deckels nur mit viel Aufwand korrigiert werden. Der Deckel muss jedoch zur mechanischen Prüfung geschlossen werden, weil er als mechanisches Gegenlager erforderlich ist. Ein Bildverarbeitungssystem kam an dieser Stelle zum Einsatz, da Farbsensoren mit der stets unterschiedlichen Lage der Anschlüsse nicht zurechtkommen. Die einfachste Prüfstelle ist der obere Anschluss im Bild 2. Hier wird der rote Draht erwartet. Ist dort eine andere Farbe, dann handelt es sich um einen Fehler. Nachdem nun sichergestellt ist, dass der erste Draht richtig sitzt, muss an den unteren beiden Lötfahnen nur noch die Reihenfolge überprüft werden. Richtig ist erst blau und dann schwarz. Deshalb reichen an dieser Stelle einfache Anwesenheitsfenster für den entsprechenden Farbton. Somit stört es auch nicht, dass der rote Draht zeitweise im zweiten Prüffenster liegt und den blauen Anschluss teilweise verdeckt. Eine Herausforderung war es, die schwarze Drahtisolierung auf dem sehr dunklen Hintergrund zu erkennen. Durch den etwas unterschiedlichen Farbton zwischen Isolierung und Untergrund konnte mit dem Farbsystem eine Prüfung realisiert werden, was mit einem Grauwertsystem nicht möglich war. Die zweite Applikation kommt aus dem Etikettier- bzw. Verpackungsbereich. Wie heute üblich, fertigt ein Hersteller von Papiertaschentüchern individuell für verschiedene Großkunden. Dem Designer der Verpackung müssen deshalb alle gestalterischen Freiheiten erlaubt werden. So kann es vorkommen, dass ein rotes Verschlussetikett auf einem dunkelblauen Hintergrund liegt. Morgen produziert er aber hellblaue Verschlussetiketten auf türkisem Untergrund. Dem Produzenten ist es nur wichtig, dass das aufgespendete Verschlusssiegel optimal auf der vorperforierten Verschlusstasche liegt. Da auch Farbkombinationen vorkommen, die im Grauwertbereich die selbe Helligkeit liefern, wurde für die Positionskontrolle ein Farbsystem eingesetzt. Diese Applikationen zeigen, dass eine Farbbildverarbeitung bei manchen Applikationen unerlässlich ist. Natürlich bedingt die Farbverarbeitung einen etwas höheren Beleuchtungsaufwand. Für diesen geringen Mehraufwand erhält der Anwender Prüfmöglichkeiten, die er bisher nicht hatte. Dass sich das komplexe Thema Farbbildverarbeitung auch sehr einfach in die Praxis umsetzen lässt, wird der Colourchecker AX30 sofort unter Beweis stellen.