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Richtig beleuchtet, richtig erkannt

Beleuchtungstechniken für die industrielle Bildverarbeitung
Richtig beleuchtet, richtig erkannt

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Bei der Realisierung einer Bildverarbeitungs-Lösung ist die Auswahl der geeigneten Beleuchtung ausschlaggebend für die Qualität der Bildaufnahme und kann damit gleichzeitig auch die anschließende Bildauswertung stark vereinfachen. Dennoch zählt die Entscheidung über die Lichtquelle häufig zu den komplizierteren und gerne vernachlässigten Problemstellungen in der Bildverarbeitung.

Bio.-Phys. Sophie Perrot, Produktmanagerin Optik und Beleuchtung bei STEMMER IMAGING

Bildverarbeitungs-Systeme bestehen meistens aus einer Kamera bzw. einem Sensor und einer Verarbeitungseinheit (z.B. einem Rechner mit Bilderfassungskarte und Auswerte-Software). Neben diesen offensichtlichen Komponenten spielt jedoch auch die Beleuchtung eine entscheidende Rolle. Da ja mit Hilfe der Bildverarbeitung genau genommen nicht das Objekt selbst, sondern das visuelle Abbild des Objekts geprüft wird, müssen stabile und reproduzierbare Beleuchtungs-Bedingungen vorliegen, um ein gleichbleibendes Abbild eines identischen Objekts bzw. identische Bedingungen für die Untersuchung von Objekten zu ermöglichen. Schwankende Beleuchtungs-Situationen sind also zu vermeiden, wenn man strenge Qualitätskriterien bei der Überprüfung seiner Objekte zugrunde legen möchte.
Nur wenn es möglich ist, die gewünschten Prüfmerkmale oder Fehler mit genügend Kontrast zu visualisieren, können diese anschließend per Bildverarbeitungs-Software ausgewertet werden. In der Regel wird dazu das Objekt durch eine Lichtquelle beleuchtet. Ausnahmen stellen hier z.B. selbst leuchtende Prüfobjekte dar. Das Prinzip Prüfobjekt wird beleuchtet klingt sehr banal, doch die Praxis zeigt, dass eine der Hauptschwierigkeiten in der Bildverarbeitung darin besteht, den Fehler am Objekt für die Kamera überhaupt erst sichtbar zu machen.
Anwendungsfälle, die eine geeignete Form der Beleuchtung erfordern, sind z.B. eine transparente Glasflasche, deren Glasprägeschrift im Flaschenboden gelesen werden soll. Prüfobjekt und Merkmale sind also aus gleichem, noch dazu durchsichtigem Material! Auch ein Kratzer auf einer metallischen Oberfläche bringt meist keine weitere Veränderung als eine Vertiefung mit sich, die erkannt werden soll. Auch dies ist eine Prüfsituation, wo Fehler trotz identischen Materials erkannt werden sollen. Gleiches gilt auch bei Prägungen und Ausformungen in Werkstoffen.
Die Schlüsselrolle fällt dabei dem Licht mit seiner Wechselwirkung in einer Dreierkette von Beleuchtung, Körper und Kamera zu. Die geschickte Ausnutzung der Eigenschaften von geeigneter Lichtquelle, Prüfobjekt und Kamera ermöglicht oftmals erst die Lösung schwieriger Applikationen. Entscheidende Eigenschaften sind dabei:
Licht: Wellenlänge (Farbe), direkte / diffuse Beleuchtung, unpolarisiert / polarisiert, Einfallswinkel
Körper: Material, Oberfläche, Geometrie, Farbe
Kamera: Empfindlichkeit, Auflösung, monochrom oder Farbe, CCD oder CMOS
Da die Körpereigenschaften des Prüfobjekts nur in Ausnahmefällen (z.B. durch Teileeinfärbungen oder UV-aktive Farbstoff-Beimischungen) beeinflussbar sind, bedingt das Objekt die zu wählende Beleuchtung und Kamera. Die Kamera definiert wiederum mit ihrem Arbeitsabstand und Anschlussgewinde die Optik. Durch ihr Datenformat und ihre Datenrate bestimmt sie auch die Bilderfassungskarte.
Verschiedene Lichtquellen
Im alltäglichen Leben sehen Menschen meist Objekte, die mit weißem Licht beleuchtet werden (Sonnenlicht, Lampen). Auch in der Bildverarbeitung wird weißes Licht häufig zur Beleuchtung herangezogen. Dieses wird auf unterschiedlichste Arten erzeugt. Je nach Problemstellung, Lichtbedarf, Objektgröße, Einbaumaße werden dabei meist verwendet:
  • LED-Beleuchtungen (Bild 1)
  • Fluoreszenzlicht (Hochfrequenz)
  • Halogenglühlampen
  • Metallhalid-Leuchtquellen (Kaltlichtquellen mit Glasfaserübertragung)
Je nach Anwendungsfall kommen aber auch andere Lichtfarben zum Einsatz. Häufig wird dabei Rot eingesetzt. Den Grund dafür macht folgendes Beispiel eines Etiketts auf einer Getränkeflasche klar: Der Mensch sieht ein farbiges Etikett mit dunkelblauem und rotem Schriftzug (Bild 2). Für die in der Bildverarbeitung am häufigsten eingesetzten Schwarz/Weiß-Kameras (auch Monochrom-Kameras genannt) sieht das Etikett wie eine Photokopie aus: Rot und Blau sind zu Grau geworden, der Rest ist hell bzw. Weiß (Bild 3)
Beleuchtet man dieses Etikett nun mit rotem Licht, z.B. mit roten LEDs, so erscheinen rote, weiße und graue Elemente für eine Farbkamera in Rot, während blaue und schwarze Elemente Schwarz bzw. Grau aussehen (Bild 4). Der Grund hierfür ist, dass das monochromatische rote Licht der LED von den roten, weißen und grauen Elementen reflektiert wird, nicht jedoch von den blauen und schwarzen Elementen.
Möchte der Anwender also in diesem Beispiel nur den richtigen Aufdruck des Schriftzuges Pepsi prüfen, wären eine Farbkamera und eine rote Beleuchtung gut geeignet, um die nicht zu überprüfen Elemente allein durch die Beleuchtungswahl zu reduzieren. Interessanterweise lässt sich die gleiche Information jedoch auch mit einer roten Beleuchtung und einer (in der Regel preisgünstigeren) Monochrom-Kamera erzielen, wie Bild 5 belegt.
Beleuchtungstechniken
Auch der Einfallswinkel des Lichtes auf dem Objekt beeinflusst das Ergebnis. Man spricht von verschiedenen Techniken wie Auflicht oder Durchlicht, direktes oder diffuses Licht, Hell- oder Dunkelfeldbeleuchtung. Die Bilder 6 bis 10 zeigen einige Beispiele dafür, wie unterschiedlich ein Objekt je nach Aufbau der Beleuchtung aussehen kann!
  • Bild 6: Direktes Auflicht (Eine Ringleuchte leuchtet direkt auf das Objekt, mehr oder weniger parallel zur optischen Achse der Kamera). Das Bild erscheint sehr inhomogen und fleckig.
  • Bild 7: Diffuse Hellfeld-Beleuchtung: Das Bild erscheint homogener. Ein starker Kontrast zwischen Objekt und Hintergrund ist vorhanden, jedoch überstrahlt die glänzende Oberfläche des Steckers die Kamera, d.h. die Kamera ist „geblendet“ und erkennt manche Details nicht mehr. Weiterhin bilden sich im oberen Teil des Steckers Schatten.
  • Bild 8: Diffuse Dunkelfeld-Beleuchtung: Schräg einfallendes Licht einer Ringleuchte mit Winkel zwischen Auflicht und Objekt. Mehr Details im Stecker sind sichtbar, es treten keine Schatten auf.
  • Bild 9: Dunkelfeld-Beleuchtung: Lichteinfall flach in der Objektebene. Obere Kanten von Pins, Stecker und Bohrungen bilden helle Kreise und sind damit für eine Auswerte-Software gut erkennbar. Der fehlende Pin (kein heller Kreis) und der gebogene Pin (falsche Position) sind im Gegensatz zur Auflichtbeleuchtung besser sichtbar.
  • Bild 10: Durchlichtverfahren: Licht wird von der Rückseite des Objekts in Richtung der Kamera gerichtet. Nur wo kein Hindernis ist, scheint das Licht durch. So können die Bohrungen auf jeder Seite des Steckers gut gemessen werden. An Stelle des fehlenden Pins befindet sich ein leicht erkennbarer heller Fleck.
Fünf verschiedene Beleuchtungen führen somit zu fünf unterschiedlichen Ergebnissen!
Experten fragen
Dieser kleine Einstieg in die Welt der industriellen Beleuchtungs-Technik zeigt also schon, dass die Wahl der optimalen Beleuchtung erst nach genauer Definition der Aufgabe erfolgen kann und häufig viel Erfahrung erfordert. Um sich zeitaufwendige Tests zu ersparen, gibt es für Anwender einen einfacheren Weg: Die STEMMER IMAGING GmbH ist Europas größter Distributor für Bildverarbeitungs-Komponenten und führt unter anderem eine große Palette von mehreren Hundert universellen und speziellen Beleuchtungen von weltweit führenden Herstellern wie CCS und Volpi im Programm. Mit unserer langjährigen Erfahrung finden wir sicher auch für Ihre Aufgabenstellung der industriellen Bildverarbeitung die optimale Beleuchtungs-Lösung!
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