Vision Academy – Vision Know-how

Tipps & Tricks

Oft sind es Kleinigkeiten, die einem das Leben als Bildverarbeiter schwer – oder eben leicht - machen.Das „gewusst wie!“ entscheidet neben dem fundamentalen Wissen hier und dort über den Erfolg oder Misserfolg der Bildverarbeitung.

In dieser Rubrik sind kleine Hilfsmittel aber auch Wissenswertes zu Stolpersteinen in loser Folge gesammelt.

 

Vision Know-How-Tipp 9

Verlängerung der Belichtungszeit bei Zwischenring-Nutzung

Werden Zwischenringe zum Vergrößern des Abbildungmaßstabes / Verringern des Arbeitsabstandes eingesetzt, muss die Belichtung korrigiert werden. Das Zwischen-
setzen von Zwischenringen als Tubus führt durch den längeren Lichtweg zu einer schnell bemerkbaren Verdunklung des Bildes. Grund dafür ist die umgekehrt qua-
dratische Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke auf dem Bildsensor. Um ein im Ver-
gleich zum Bild ohne Zwischenringe gleich belichtetes (helles) Bild zu erhalten, müssen daher Korrekturen vorgenommen werden. Alternativ kann dies u.a. geschehen durch Veränderung der

     -    Belichtungszeit
     -    Blendeneinstellung
     -    Beleuchtungsstärke
     -    Verstärkung der Kamera
     -    Entfernung / Einfügen von Lichtfiltern

Für jede dieser Maßnahmen müssen die aus den Änderungen resultierenden Kon-
sequenzen hinsichtlich Bewegungsunschärfe, Schärfentiefe, Leistungsgrenzen der Komponenten, Linearitäten, Rauschen oder Änderung von Kontrast und Arbeitsab-
ständen beachtet werden.

Werden die Korrekturen an der Belichtungszeit oder Beleuchtungsstärke vorgenom-
men, wird der  Verlängerungs- bzw. Vervielfachungsfaktor im Vergleich zum Zwi-
schenringfreien Objektiv nach folgendem Zusammenhang berechnet:

V = (|ß'|+1)2   mit     V  –  Verlängerungsfaktor für Belichtungszeit bzw.
                                            Vervielfachungsfaktor für Beleuchtungsstärke
                                   ß’ –  Abbildungsmaßstab

 

Vision Know-How-Tipp 8

Beleuchtungen im Auflicht verlieren bei großem Abstand schnell an Helligkeit

Bekanntes Phänomen ist, dass Beleuchtung im Auflicht bei großen Entfernungen schnell an Intensität verlieren. Hintergrund ist das photometrische Entfernungsgesetz, das den Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke auf dem Prüfobjekt und dem Abstand der Beleuchtung herstellt: Die Beleuchtungsstärke E am Objekt nimmt mit dem Quadrat der Entfernung d der Beleuchtung ab, oder anders gesagt: E ~ 1/d2.

 

 

 

 

 

 

Die praktischen Folgen sind wortwörtlich weitreichend: Eine Beleuchtung, die bei 100 mm Arbeitsabstand 10.000 Lux Beleuchtungsstärke erzeugt, hat bei 200 mm Arbeitsabstand noch 2.500 Lux und bei 300 mm Arbeitsabstand gerade mal noch 1.111 Lux Beleuchtungsstärke.

So fällt die durch die Beleuchtung auf dem Bildaufnehmer erzeugte Helligkeit bei Vergrößerung des Beleuchtungsabstandes sehr schnell ab, was durch andere Maßnahmen korrgiert werden muss oder eben den maximalen Abstand der Beleuchtung begrenzt:

  • stärkere / abgeschwächte Beleuchtung
  • Blendeneinstellung
  • Belichtungszeiteinstellung
  • Änderung der Kameraverstärkung
  • Entfernung / Einfügen von Lichtfiltern
  • ...

Beim Helligkeitsabfall sollte man sich nicht auf die Einschätzung durch das menschliche Auge täuschen lassen. Die menschliche Helligkeitswahrnehmung folgt einer dekadisch logarithmischen Abhängigkeit. Das bedeutet, dass eine Verdopplung / Halbierung der Helligkeit wahrgenommen wird, wenn die zehnfache / ein Zehntel Helligkeit der Beleuchtung vorliegen.

Viele Bildaufnehmer reagieren jedoch mit linearer Abhängigkeit, die ein doppeltes / halbes Ausgangsignal liefern, wenn die doppelte / halbe Beleuchtungsstärke vorliegt.

Der Abstand der betrachtenden Kamera mit Objektiv spielt hingegen keine Rolle: die durch die Beleuchtungsstärke auf dem Prüfobjekt erzeugte Leuchtdichte ist vom Abstand unabhängig, d.h. hier kann mit langen Brennweiten und damit großen Arbeitsbständen der Kamera gearbeitet werden, ohne, dass ein nachteiliger Effekt entsteht.

 

Vision Know-How-Tipp 7

Auswirkungen von Staub und Schmutz im Bild erkennen, vermeiden und beseitigen

Auf die berührungslose Technologie Bildverarbeitung hat die Ablagerung von Staub und Schmutz einen wesentlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems sowie auf die erreichbaren Auswerte-Ergebnisse.

Staub und Schmutz, der störend im Bild sichtbar ist, kann an vier verschiedenen Orten auftauchen:

a) Schmutz auf der Beleuchtung

Besonders im Durchlicht werden schon kleine Schmutzpartikel auf der Leuchtfläche sichtbar und werden damit zum Problem. Das tritt besonders dann auf, wenn das Prüfobjekt auf der Leuchtfläche liegt, oder sich dicht darüber befindet. Der Schmutz befindet sich nahezu in der gleichen Schärfenebene wie das Objekt. Häufige Folge: Antastungen und Algorithmen, die mit Helligkeitsübergängen arbeiten, bleiben bereits an Schmutzpartikeln "hängen" und "finden" nicht die eigentlichen Prüfobjekte. Möglicherweise können diese Effekte schon durch Einstellungen von Parametern in den Funktionen beseitigt werden ("Störfilter" o.ä.)
Neben der meist nicht möglichen Schmutzvermeidung hilft auf jeden Fall die Vergrößerung des Abstandes von der Beleuchtung zum Prüfobjekt. Damit wird der Schmutz auf der Beleuchtung aus dem Bereich der Schärfentiefe verbannt, so dass selbst größere Schmutzpartiekl in der Unschärfe untergehen.
Zu beachten ist, dass bei der Vergrößerung des Beleuchtungsabstandes u.U. bei perspektivisch abbildenden Objektive eine größere Leuchtfläche der Beleuchtung notwendig werden kann.
Im Auflicht hat eine Verschmutzung der Beleuchtung kaum einen Einfluss, es sei denn, dass die Schmutzschicht so stark wird, dass die Intensität des austretenden Lichtes leidet.

Nachweis:
Bewegung der Beleuchtung
--> der Schmutz bewegt sich mit.

Vermeidung:
Regelmäßige vorbeugende Reinigung in passenden Intervallen.

b) Schmutz auf / an dem Objekt

Berührungslose Mess- und Prüfverfahren haben den Nachteil, dass Verschmutzungen mit bewertet werden, da sie nicht wie bei taktilen Verfahren beseite gedrückt werden.

Nachweis:
Bewegung des Prüfobjektes
--> der Schmutz bewegt sich mit.

Vermeidung:
Entweder sorgt man für saubere Umgebungsbedingungen oder für eine Reiningung der Prüfobjekte. Einige Bildverarbeitungsbefehle bieten jedoch bereits in ihrer internen Funktion Möglichkeiten für die Unterdrückung derartiger Störeffekte durch statistische Betrachtung der ermittelten Werte und sortieren damit Ausreißer, wie sie durch Staub und Schmutz entstehen, aus.

c) Schmutz auf der Frontlinse des Objektivs

Verschmutzungen an der Frontlinse haben recht lange keinen Einfluss auf die Qualität der Abbildung. Merklich werden sie bei sehr starker Verschmutzung bzw. bei sehr stark geschlossener Blende, was ohnehin auf Grund stark auftretender Beugungseffekte vermieden werden sollte.

Nachweis:
Drehung des Objektivs (Lösen des Objektivs im Objektivgewinde)
--> der Schmutz dreht sich mit.

Vermeidung:
Regelmäßige vorbeugende Reinigung in passenden Intervallen. Dabei darauf achten, dass die empfindliche Antireflexschichten auf der Frontlinse nicht beschädigt werden.

d) Verschmutzungen auf dem Bildaufnehmer

Bereits bei Entfernung der Staubschutzkappe von der Kamera werden erste Schmutzpartikel in die Kamera eindringen und sich auf dem Deckglas des Bildaufnehmers absetzen, solange man nicht unterReinraumverhältnissen arbeitet. Schmutzpartikel an dieser Stelle im optischen Pfad werden erst bei starker Abblendung des Objektives sichtbar und zwar nur mittelbar, weil dann die Staubkörner erst durch Beugung sichtbar werden. Dabei vergrößern die Beugungsringe die Staubkörner bis zur Sichtbarkeit. Wird die Beleuchtung geschwächt und damit die Möglichkeit gegeben, die Blende weiter zu öffnen, verschwindet dieser Effekt. Bedingt wird der effekt durch die Abbildungstiefe, die auf Sensorseite bei weit geschlosssener Blende einen Schärfebereich von der lichtempfindlichen Sensorschicht bis zum Deckglas auf dem Chip erzeugt und damit den Schmutz sichtbar macht. Geöffnete Blenden besitzen nur geringe Abbildungstiefe, so dass nur auf der der lichtempfindlichen Sensorschichtscharf abgebildet wird und nicht auf dem Deckglas.

Nachweis:
Helligkeit der Beleuchtung verringern, Blende öffnen
--> der Schmutz verschwindet im Bild.

Vermeidung:
Kaum möglich. Reinigung sehr vorsichtig durchführen. Fehler hierbei haben schwerwiegende Wirkung bis zum Austausch der Kamera.

Wie bekommt man Verschmutzungen beseitigt?

Besonders die Reinigung von Schmutz in den Fällen c) und d) sollte mit großer Vorsicht durchgeführt werden. Bildaufnehmer nicht berühren - dieser ist i.A. Mikrometergenau justiert.
Abblasen mit gereinigter Luft aus Spraydosen (Sprührichtung beachten, es darf kein flüssiges Treibgas austreten!). Nie Druckluft aus der Druckluftversorgung der Werkhalle nutzen! Diese ist nicht ölfrei.
Keinesfalls Zellstoff, Baumwolltücher oder auch keine Brillenputztücher verwenden. Keine Lösungsmittel benutzen. Möglicherweise werden dabei Lötstopplack oder andere Substanzen gelöst und lagern sich nach Verdunsten des Lösungsmittelsals Schicht auf dem Deckglas des Sensor ab.

 

Vision Know-How-Tipp 6

Fahrplan für den erfolgreichen Einsatz von Machine Vision

An dieser Stelle bieten wir den Download eines Vortrages an, der auf der Hannover Messe 2012 am 25. und 26. April gehalten wurde.

Inhalt:

1. Prüfaufgaben für Machine Vision
2. Die Teile
3. Fixierung der Anforderungen
4. Machbarkeitsuntersuchungen
5. Make or buy?
6. Die Umsetzung
7. Inbetriebnahme
8. Bildverarbeitung am Laufen halten


Vision Know-How-Tipp 5

Kleine Gesichtsfelder mit Zwischenringen realisieren

Die beste Möglichkeit, große Abbildungsmaßstäbe zu erreichen, besteht im Einsatz
speziell dafür gerechneter Objektive (Makroobjektive). Werden kostengünstige
Standardobjektive mit Zwischenringen eingesetzt, müssen für die Abbildungsgüte
immer qualitative Abstriche hingenommen werden.

Generell benötigen kurzbrennweitige Objektive kürzere Zwischenringlängen als
langbrennweitige Objektive.

Als Faustregel für eine tolerierbare Zwischenringlänge wird typischerweise 10%
der Brennweite des eingesetzten Objektivs angesetzt. Das bedeutet für ein Objektiv
mit 50 mm Brennweite einen maximal 5 mm langen Zwischenring. Eine Prüfung von
Fall zu Fall ist notwendig. So können u. U. bei größeren Abstrichen an Abbildungs-
qualität auch größere Zwischenringlängen eingesetzt werden.

Die notwendige Zwischenringlänge L wird ermittelt nach:

L = y' * f / y      mit       y'  - Breite oder Höhe des Bildaufnehmers*
                                     f   - Brennweite des Objektivs
                                     y  - Breite oder Höhe des gewünschten Gesichtsfeldes*

* Ob mit Breite oder Höhe gerechnet wird, richtet sich nach den maximalen
   Abmessungen des Objektes.

Die ermittelte Zwischenringlänge gilt bei Unendlich-Entfernungseinstellung am
Objektiv.

 

Vision Know-How-Tipp 4

Verzeichnung > 1 Promille an Objektiven praktisch nachweisen

Optische Verzeichnung, also geometrische Verzerrungen, die vom Objektiv ver-
ursacht werden, verändern die Bildinformation. Das in der Kamera erzeugte Bild ist
mathematisch nicht mehr ähnlich zum Objekt und führt so zu verfälschten Werten
bei der Auswertung und damit zu Pseudoausschuss.

Mit dem menschlichen Auge lässt sich das Problem bei kleineren Verzeichnungs-
werten nicht erkennen. Bei ungünstig geformten Prüfobjekten ist der Mensch ohne
Hilfsmittel teilweise nur in der Lage, Verzeichnungswerte > 5% zu erkennen. Diese
Werte sind jedoch für die meisten Aufgaben viel zu groß.

Eine einfache Möglichkeit, Verzeichnungswerte herab bis zu 1 Promille (1 Pixel,
bezogen auf einen Bildaufnehmer von 1000 Pixel Ausdehnung) sichtbar zu machen,
besteht in der Nutzung einer diffusen Beleuchtung mit hinreichend geradliniger
Berandung des Leuchtfeldes.

Da die Verzeichnungswerte i.A. am Bildrand am größten und damit am auffällig-
sten sind, wird die Untersuchung auch am Bildrand durchgeführt. Dazu wird die
Beleuchtung unter das Objektiv gelegt und so lange parallel zum Bildrand ver-
schoben, bis die Leuchtfläche, die zu einem hellen Spalt geschrumpft ist, aus dem
Gesichtsfeld zu verschwinden beginnt.

Ist der helle Spalt vor dem Verschwinden nicht gleich breit, liegt Verzeichnung vor:
kissenförmige, wenn der helle Spalt in der Mitte breiter ist als am Rand und tonnen-
förmige, wenn der helle Spalt in der Mitte schmaler ist als am Rand.

Ist das Objektiv verzeichnungsfrei, dann wird der helle Spalt beim parallelen Ver-
schieben über die Länge gleich breit sein, auch wenn er immer schmaler wird und
schließlich verschwindet.

Die konkreten Verzeichnungswerte des Objektivs lassen sich auf diese Weise nicht
ermitteln. Diese müssen durch exakte messtechnische Anordnungen bestimmt
werden. Jedoch ist der Nachweis möglich, ob eine Abbildung verzeichnungsarm
oder verzeichnend ist.

Links: verzeichnungsfrei, Mitte: tonnenförmig, Rechts:kissenförmig

 

 

 

Vision Know-How-Tipp 3

Optimales scharf Einstellen des Objektivs

Am besten ist die Scharfeinstellung es Objektivs häufig dann, wenn die Einstellung auf die Mitte des Schärfentiefebereichs erfolgt. Dazu geht man am besten wie folgt vor:

  • Blende am Objektiv vollständig öffnen (damit entsteht ein Bild mit geringster Schärfentiefe)
  • dafür sorgen, dass ein nicht überbelichtetes Bild entsteht (weniger Licht, kürzere Belichtungszeit, Neutralfilter, Verstärkung ändern)
  • scharfes Bild einstellen, dazu Hilfsmittel der BV-Software nutzen (Funktion 'Fokus') - Entfernungseinstellung fixieren
  • Blende auf die notwendige Einstellung abblenden - Blendeneinstellung fixieren
  • Stärke der Beleuchtung / Belichtungszeit so nachführen, dass ein nicht überbelichtetes Bild entsteht


Mit dieser Vorgehensweise stellt man sicher, dass zur eingestellten Entfernung nach vorn und zur Kamera hin ein nahezu gleich großer Bereich der Schärfentiefe besteht.

Vision Know-How-Tipp 2

Beleuchtungsfarbe optimal zur Farbe des Prüfobjektes einsetzen

Je nach dem, was man erreichen will, kann man zwei Effekte nutzen:

  1. Einfarbige Fläche soll durch die Beleuchtung hervorgehoben werden (möglichst hell erscheinen):
    Beleuchtung muss gleiche Farbe wie die zu beleuchtende Fläche haben.
  2. Einfarbige Fläche soll durch die Beleuchtung unterdrückt werden (möglichst dunkel erscheinen):
    Beleuchtung muss Komplementärfarbe zur beleuchtende Fläche haben.


Farbe / Komplementärfarbe:

  • rot – blaugrün
  • orange – blau
  • gelb – blauvviolett
  • gelbgrün – violett
  • grün – magenta


Diese Farbauswahl ermöglicht es, gewünschte Details hervorzuheben oder Ungewünschtes zu unterdrücken.

Vision Know-How-Tipp 1

Herstellen reproduzierbarer Einstellungen an Maschinen mit Bildverarbeitung

Müssen Maschinen mit Bildverarbeitung zur Wartung oder Instandhaltung demontiert werden, so wird häufig zum Problem, dass nach dem Zusammenbau nicht die gleichen mechanischen, optischen oder beleuchtungstechnischen Verhältnisse herrschen. Das liegt vorwiegend daran, dass hinsichtlich der Programmgestaltung nicht darauf geachtet wurde, reproduzierbare Verhältnisse herstellen zu können. Eine wartungs- und instandhaltungsfreundliche Bildverarbeitungslösung besitzt daher folgende Programmbestandteile:

  1. ein Justier- und Einstellprogramm
    Innerhalb dieses Programms werden in einem interaktiven Vorgang durch eingeblendete Grafiken und numerische Vorgaben systemrelevante Größen eingestellt, wie:
    Arbeitsabstände / Bildschärfe, Gesichtsfeldgrößen, Lage und Drehlage des Gesichtsfeldes, Helligkeitswerte, Helligkeitsverteilungen.
  2. ein Kalibrierprogramm (wenn maßlich geprüft werden muss)
    Zur Neukalibrierung und im Sinne der vorbeugenden Instandhaltung muss das Kalibrierprogramm zu jeder Zeit in der Lage sein, die ursprüngliche Genauigkeit wieder herzustellen.
  3. das eigentliche Prüfprogramm zur Lösung der Prüfaufgabe


Sind diese 3 (2) Programmtypen enthalten, kann man davon ausgehen, dass die für die Bildverarbeitung bedeutsamen Einstellungen an der Maschine wiederholbar sind.

 

Whitepapers der Vision Academy

behandeln umfassend und her-
stellerneutral Themenbereiche
von Machine Vision und Bildver-
arbeitung, die in diesem Umfang
sonst nur in wissenschaftlichen
Publikationen zu finden sind.

Leistungsstand, Standards und
Technologien werden zu einem
eingegrenzten Themengebiet
dargestellt sowie Vor- und Nach-
teile abgewogen.

 

Leistungsklassen von Vision Systemen

Die Art des Vision Systems ent-
scheidet stark über Erfolg oder
Misserfolg der Applikation. Der
Artikel gibt einen Überblick über
Eigenschaften, Aufbau, Anwen-
dungsfelder und Grenzen der
Vision System - Klassen.

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Das Auge der Kamera: Objektive bestimmen die Verarbeitbarkeit von Bildern

Neben der Beleuchtung steht die
Optik ganz vorn im Signalweg der
Bildverarbeitung. Sie formt die
Lichtinformation.
So sollte der Optik viel Aufmerk-
samkeit geschenkt werden, denn
leistungsfähige Bildverarbeitungs-
objektive sind mehr als „ein Stück
Glas“. Als komplexe und speziali-
sierte Komponenten tragen sie
wesentlich zur Bildentstehung,
zum Bildinhalt und zur Auswert-
barkeit von Bildern bei.

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