Industrielle Bildverarbeitung

In der industriellen Bildverarbeitung (BV) ist es wichtig, an allen Stellschrauben eines Systems zu drehen, um die Aufgabenstellung ideal umzusetzen. Die wichtigsten Komponenten ergeben sich dabei aus Kamera, Beleuchtung, Optik, Software und Hardware (sowohl PC-Technik als auch Steuerungstechnik).

Wie entsteht in einer Kamera ein Bild?

Das Herzstück einer Kamera ist der Kamerachip. In diesem Kamerachip entsteht schon das erste Abbild der aufgezeichneten Szene. Bis zur Darstellung auf einem angeschlossenen Monitor ist es dennoch ein weiter Weg.

Auf dem Kamerachip befinden sich Fotozellen (im Volksmund auch als Pixel benannt). In diesen Fotozellen wird über einen bestimmten Zeitraum das einfallende Licht in elektrische Energie gewandelt. Je mehr Licht auf die einzelne Fotozelle fällt, desto höher ist die umgewandelte Energie. So ist die elektrische Energie (Spannung) einer Fotozelle als exakte Information für die Helligkeitsstufe der fotografierten Szene an der Stelle dieses Pixels zu betrachten.

In der Kamera selbst werden nach Ablauf einer bestimmten Zeit, der Belichtungszeit, die Spannungen der einzelnen Fotozellen aus einem analogen Signal in ein digitales Signal gewandelt. Vereinfacht kann man sich hierunter vorstellen, dass ein kleiner Computer, der in dem Kameragehäuse sitzt, eine Spannungsmessung an den einzelnen Fotozellen durchführt und den jeweils gemessenen (analogen) Wert anhand einer Tabelle mit einem digitalen Wert abgleicht.

Typisch sind dabei heutzutage sogenannte 8-Bit-Quantisierungen. Ein Bit ist die kleinste logische Einheit in einem digitalen System. Ein Bit kann den Zustand 0 oder 1 annehmen. Werden die möglichen Kombinationen mit 8 Bit durchgespielt, ergeben sich 256 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten:

0: 0000 0000
1: 0000 0001
2: 0000 0010
3: 0000 0011
4: 0000 0100
5: 0000 0101
6: 0000 0110
7: 0000 0111
126: 0111 1110
127: 0111 1111
128: 1000 0000
252: 1111 1100
253: 1111 1101
254: 1111 1110
255: 1111 1111

Diese Kombinationen aus Nullen und Einsen werden über eine gewählte Schnittstelle, z. B. USB oder FireWire, an den Computer übertragen, der die eigentliche Bildverarbeitung durchführt. Die Bildverarbeitungssoftware interpretiert dann diese Kombination aus Einsen und Nullen als „Farbwert“:

Die Kombination 0000 0000 steht für den Farbwert 0 bzw. Schwarz.
Die Kombination 1111 1111 steht für den Farbwert 255 bzw. Weiß.
Die Kombination 0111 1111 steht für den Farbwert 127.

Die durch den Monitor angezeigte Farbe hängt in diesem Fall von der Kamera und den übertragenen Bildinformationen ab. In der Vermessungstechnik von Massenteilen werden häufig Schwarz-Weiß-Kameras eingesetzt. Hier würde der Farbwert 127 einem mittleren Grau entsprechen.

Bei Farbkameras wird mit Farbkanälen gearbeitet, typischerweise Rot, Grün und Blau. Pro Farbkanal werden dann jeweils 8 Bit zur Informationsdarstellung genutzt. Der Farbwert 127 einer Farbkamera entspricht also entweder einem mittleren Rot, einem mittleren Grün oder einem mittleren Blau.

Was ist der Unterschied zwischen einem CCD-Kamerachip und einem CMOS-Kamerachip und wann sollte welche Art genutzt werden?

Um den richtigen Unterschied zwischen den beiden Kamerachips zu verstehen, muss schon sehr tief in die Materie eingestiegen werden. Ganz grob kann man sich hierunter vorstellen, dass ein CMOS-Chip wie ein RAM-Baustein (Arbeitsspeicher eines Computers) aufgebaut ist, auf dem auch noch Fotozellen Platz gefunden haben. CMOS-Chips sind für gewöhnlich mit viel Elektronik ausgestattet. Jede Fotozelle ist mit einem eigenen Verstärker ausgestattet und jede Fotozelle kann (theoretisch) einzeln angesteuert werden. Da jede Datenübertragung Zeit in Anspruch nimmt, setzen sich CMOS-Chips gerade in den Bereichen durch, in denen es schnell gehen muss.

Allerdings bietet genau diese Bauweise auch einen großen Nachteil, denn jede Elektronik braucht Platz - Platz, den die lichtempfindlichen Zellen nicht nutzen können. Ein CCD-Chip ist so aufgebaut, dass eine möglichst große Fläche des Chips mit lichtempfindlichen Zellen ausgestattet ist. Dadurch erhöht sich die Bildqualität. In der Vermessungstechnik werden daher, trotz der Möglichkeiten eines CMOS-Chips, fast ausschließlich CCD-Chips eingesetzt.

Welche Kameraschnittstelle für welche Anwendung?

Die Kameraschnittstelle hängt stark von der Anwendung ab. Hier sollte man sich immer die Frage stellen, wie viele Daten in welcher Zeit übertragen werden müssen.

Ein Rechenbeispiel zur Verdeutlichung:

Kamerachipauflösung: 640 x 480 Pixel
Kameratyp: 8-Bit, S/W

Aus diesen Randparametern folgt, dass pro Pixel 1 Byte = 8 Bit gesendet werden müssen.

640 x 480 = 307.200 Byte = 300 KB ≈ 0,3 MB

USB 2.0 hat eine Übertragungsrate von 60 MB/s. Daraus folgt, dass

60 · 0,3 Bilder/Sekunde

übertragen werden können, also ca. 200 Bilder/Sekunde. Dieser Wert ist aber sehr theoretischer Natur. In der Praxis ist eher mit 100 bis 150 Bildern/Sekunde zu rechnen.

Dennoch ergibt diese Rechnung eine Richtung an der man sich orientieren kann.

Welche Beleuchtungsmittel und -techniken werden eingesetzt?

In der industriellen Bildverarbeitung haben sich über die Jahre die verschiedensten Beleuchtungsmittel und -techniken entwickelt. Über hochfrequente Leuchtstoffröhren, LED-Beleuchtungen, Kaltlichtquellen bis hin zu Laserdioden.

Das heute wohl gängigste Beleuchtungsmittel ist die LED. Über die Anordnung der LEDs lassen sich Szenen sehr verschieden ausleuchten und so gewisse Merkmale stärker oder weniger stark herauskristallisieren.

Geometrisch vermessen wird aktuell fast ausschließlich mit Hilfe einer Hintergrundbeleuchtung, auch  „Durchlicht“ genannt. Dazu wird das Objekt zwischen Kamera und Lichtquelle positioniert. Hierbei wird zwischen gerichtetem und diffusem Durchlicht unterschieden, wie die beiden folgenden Abbildungen zeigen:

Was versteht man unter telezentrischen Objektiven?

Bei jeder „normalen“ Optik tritt das Phänomen auf, dass Objekte, die weiter von der Optik entfernt sind, kleiner abgebildet werden. Auch das menschliche Auge arbeitet nach diesem Prinzip. Ein Auto, das uns auf der Straße entgegen kommt, wirkt umso größer, je näher es kommt. Bei einer telezentrischen Optik wird genau dieses Phänomen in einem gewissen Bereich vermieden. Es entsteht keine perspektivische Verzeichnung.

Worauf muss bei der Software geachtet werden?

Die Software muss genau so an die Randparameter der Aufgabenstellung angepasst sein wie alle anderen Komponenten eines Messsystems. Für einen Sondermaschinenhersteller ist die Kommunikation zwischen Kameras, Software und Hardware ein wichtiger Aspekt. Für die Lohnsortierung müssen die Prüfjobs möglichst schnell und möglichst einfach anzupassen oder zu erstellen sein.

Außerdem muss die BV-Software eine programmierte Prüfung möglichst schnell durchführen (heutzutage zwischen 10 und 80 ms) Für die Mitarbeiter aus der Verwaltung bietet die Anlage eine Schnittstelle zur Server-Anbindung und zur Direktanbindung an ein ERP-System. All diese Faktoren müssen bei der Entscheidung für eine Bildverarbeitungssoftware beachtet werden (und noch 1000 mehr).

Aus welchen Hardwarekomponenten besteht eine BV-Anlage?

Eine Bildverarbeitungsanlage besteht mindestens aus zwei verschiedenen Hardware-Systemen. Zum einen muss ein Industrierechner zur Verfügung stehen, auf dem die Bildverarbeitungssoftware ausgeführt wird. Hier hängt es sehr von der eingesetzten Software ab, auf welche Randparameter zu achten ist.

Die zweite wichtige Hardwarekomponente ist die Steuereinheit. Hier werden SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen) von verschiedenen Herstellern eingesetzt. Auch hier gilt es, die ideale Lösung für die jeweilige Anwendung zu finden.