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Hochwertige Farbbilderkennung auf der VISION

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Hochwertige Farbbilderkennung auf der VISION

Bisher dominieren in der industriellen Bildverarbeitung (IBV) zwar immer noch die monochromen Kameras, doch die Praxis zeigt: „Vor fünf Jahren lag der Anteil der Flächen-Farbkameras bei etwa zehn Prozent und hat sich bis heute kontinuierlich gesteigert. Bei uns ergibt sich zurzeit ein Verhältnis von Farb- zu Schwarz-weiß-Anwendungen von zirka 1:3 „, sagt Dr. Joachim Linkemann, Produktmanager VC bei Basler Vision Technologies. Besonders gravierende Veränderungen, so der Manager weiter, seien bei Zeilenkameras zu beobachten, deren Anteil vor fünf Jahren noch verschwindend gering gewesen sei. „Bei uns im Hause macht das Geschäft mit Farbbildgewinnung sogar 90 Prozent aus, denn wie unser Name schon sagt, sind wir auf Farbe spezialisiert“, betont Markus Schnitzlein, Geschäftsführer der Chromasens GmbH.

Auch auf der VISION 2007 vom 6. bis 8. November wird der Trend zu mehr Farbe deutlich spürbar sein. Denn die VISION präsentiert heuer zum 20. Mal fortschrittlichste Innovationen und Produkte sowie hochkarätiges Fachwissen der weltweit wichtigsten IBV-Anbieter. In einer Farbkamera sitzen heute gängige Fotosensoren (CCD-Technologie Charge-Coupled Device oder CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor), wie sie auch in SW-Kameras verwendet werden. Jedoch unterscheiden sie sich durch aufgebrachte Farbfilter. Denn die lichtempfindlichen Halbleiterzellen auf dem Chip können nur Helligkeitswerte erfassen, aber keine Farbinformationen. Je nach Qualitätsanspruch und Applikation bietet der Markt 3-CCD-Farbkameras, die je Primärfarbe Rot, Grün und Blau (RGB) einen Sensor beherbergen. Hier wird der Lichtstrahl zum Beispiel über ein Prisma gesplittet. Wesentlich häufiger eingesetzt werden allerdings Ein-Chip-Kameras, die einen Farbfilter, ähnlich eines Schachbretts verpasst bekommen. Vor jede einzelne Fotozelle wird ein winziger Farbfilter in einer der drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau platziert, so dass ein Pixel an dieser Stelle nur die Information einer einzigen Farbkomponente liefern kann. Drei Pixel werden dann zu einem Bildpunkt und diese schließlich zu einem Gesamtbild interpoliert. Die echte Auflösung ist dann also geringer als die Pixelzahl des Sensors. Die Filter auf den Sensoren sind herstellungsabhängig. Allgemein durchgesetzt hat sich bei den meisten Farbsensoren das Bayer-Filter, das pro Bildpunkt durch ein Viererpaket von Pixeln repräsentiert wird: zwei sehen grün, eines rot und eines blau.
Die IBV-Experten wissen genau, worauf es bei der Farbbildverarbeitung ankommt. Die meisten Kamerahersteller verwenden zwar die gleichen Sensoren, doch „Differenzierungsmöglichkeiten zum Wettbewerb ergeben sich über die Qualität der Elektronik, die sich durch ein geringes Rauschen auszeichnet“, meint Dr. Linkemann. „Die große Herausforderung sehe ich im De-Mosaiking“, so Dr. Gerhard Holst, Leiter Research & Development der PCO AG, „wie rechne ich aus den Einzelfarbinformationen ein farbechtes Gesamtbild. Das kann sehr aufwändig sein. Im letzten Jahr haben wir hierfür eine Menge Zeit investiert und können mit den besten in der wissenschaftlichen Welt veröffentlichten Farb-Algorithmen mithalten, sie vielleicht sogar um ein paar Punkte übertrumpfen.“ Die PCO AG arbeitet derzeit an einer neuen CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera, deren Prototyp aller Voraussicht nach auf der VISION 2007 Premiere feiern wird. Die generelle Herausforderung sieht Dr. Linkemann allerdings in der Kette der unterschiedlichen IBV-Disziplinen: „Wenn die Beleuchtung nicht richtig ist, kann man auch mit aufwändigen Algorithmen kein gutes Ergebnis erzielen. Das heißt, dass die Beleuchtung, die abbildende Optik und die Kamera erst einmal ein vernünftiges Bild einfangen müssen, bevor der Datentransport und die Auswertung des Bildes beginnen können.“ So seien zum Beispiel oft die Objektive nicht hinreichend gut oder gut ausgewählt, um die physikalische Auflösung zu erreichen. „Jeden Euro, den man zuvor bei Licht, Optik oder Kamera einspart“, so die Erfahrung des Basler-Experten, „zahlt man nachher bei der Software mehrfach drauf.“ Die Beleuchtung spielt bei der Farbbildgewinnung eine immense Rolle. Zum einen wird „die Empfindlichkeit eines Sensors durch die Farbfilter beträchtlich reduziert, etwa 20 bis 30 Prozent“, meint Dr. Holst, „was bedeutet, dass man mehr Licht benötigt, das man oft nicht hat.“ „Zum anderen muss bei hochwertiger Farbbilderfassung oder gar Farbmessung, wo es darauf ankommt, ein farbechtes Bild zu erhalten, eine Lichtquelle möglichst spektral-homogenes weißes Licht liefern“, betont Schnitzlein. Das ist zum Beispiel bei der Wafer-Inspektion oder beim Archivieren von Gemälden der Fall. „Entweder wir greifen hier zu speziell ausgesuchten weißen LEDs oder zu Xenon-basierten Hochdrucklampen“, erläutert Schnitzlein. Chromasens arbeitet hauptsächlich mit selbst entwickelten, hochwertigen Zeilenfarbkameras. Voraussetzung bei der Anwendung von Zeilenkameras ist allerdings, dass sich etwas bewegt, entweder das Objekt, die Bahnware oder die Kamera, sonst würde immer die gleiche Zeile aufgenommen werden. Jede der drei Primärfarben (RGB) belegt bei einer Tri-linearen-Zeilenkamera (Ein-Chip-Kamera) eine Sensorzeile. „Unsere Sensoreinheiten zeichnen sich durch die große Zeilenlänge aus, die bis zu 22.500 Bildpunkte pro Zeile erreichen kann. Das finden Sie fast bei keinem anderen Hersteller. Auch die Geschwindigkeit ist wichtig. Wir liefern Kameras mit 7500 Bildpunkten und 3 (RGB) x 60 Mbyte pro Sekunde. Das ist so ziemlich einzigartig“, ergänzt der Chromasens-Experte. Aber wo in der Praxis werden denn so hohe Anforderungen gestellt? „Wenn Sie Objekte oder Bilder mit einem Meter Breite und einer Auflösung von 40 Mikrometern (zirka 600 dpi) scannen möchten, kommen Sie schnell auf die 22.500 Bildpunkte“, führt Schnitzlein als Beispiel an. Bei messtechnischen Aufgaben würden allerdings drei Farbkanäle nicht ausreichen, so Schnitzlein, hier nutze man sechs bis acht oder gar bis zu 16 Farbkanäle.
„In vielen Bereichen der industriellen Bildverarbeitung liegen zunehmend höhere Farbqualitätsanforderungen vor. Aus diesem Grund steigt die Nachfrage nach 3-Chip-Kameras weiter an“, meint Andreas Schaarschmidt, Bereichsleiter Vertrieb und Marketing von Stemmer Imaging. Hier driften die Meinungen der Experten jedoch etwas auseinander: „Die 3-Chip-Kameras sind erheblich teurer und erfordern auch spezielle Objektive. Bei Zeilenkameras geht auch hier der Trend klar zu den 1-Chip-Kameras, lediglich bei fallenden, rotierenden oder nicht linear bewegten Objekten sind 3-Chip-Kameras vorzuziehen“, argumentiert Dr. Linkemann. „Für bestimmte Anwendungsgebiete die eine sehr präzise Farbwiedergabe fordern, wie zum Beispiel bei der Geldscheininspektion, sind 3-Chip-Kameras unabdingbar“, ergänzt Ingo Lewerendt, Produktmanager von Allied Vision Technologies. „Nachteilig allerdings sind neben dem deutlich höheren Preis auch die größeren Abmessungen, die ihre Integration in kompakte Systeme erschwert. Der Marktanteil der 1-Chip-Farbkameras wächst daher weiterhin, auch weil die meisten industriellen Anwendungen die Farbgenauigkeit der 3-Chip-Lösung nicht unbedingt benötigen. Außerdem kommen Farbsensoren mit immer höheren Auflösungen auf den Markt, so dass die Farbgenauigkeit von 1-CCD-Kameras im Vergleich zu 3-CCD Kameras immer besser wird“, kommentiert Lewerendt weiter.
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