Bildverarbeitung Bildfehler reduzieren

Smart-Kameras zur Bildverarbeitung setzen sich durch. Gebräuchlich sind hauptsächlich monochrome Modelle ] Farbversionen finden noch relativ selten Anwendung. Mit der im Beitrag vorgestellten...

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5×5-Verfahren erhöht Ortsauflösung und verringert FarbartefakteSmart-Kameras zur Bildverarbeitung setzen sich durch. Gebräuchlich sind hauptsächlich monochrome Modelle ] Farbversionen finden noch relativ selten Anwendung. Mit der im Beitrag vorgestellten intelligenten Farbkamera will der Hersteller den Trend zur Farbe unterstützen und zugleich ein neuartiges Verfahren zur Verarbeitung der Sensordaten vorstellen, das höhere Auflösung und geringere Farbartefakte garantieren soll.

Wegen der bislang unerreichten Bildqualität kommt in der Regel ein CCD-Sensor zum Einsatz. Über einen externen Eingang lässt sich die Bildaufnahme jitterfrei auslösen (triggern). Belichtungszeiten bis hinunter zu einigen µs sind möglich. Jitterfreies Triggern und Mikrosekundenbelichtung machen zusammen die Erfassung extrem schneller Vorgänge möglich, etwa in der Druckindustrie. Aufgenommene oder auch gespeicherte Bilder/Fehlerbilder können direkt auf einem angeschlossenen VGA-Monitor angezeigt werden. Ein separater PC ist nicht erforderlich. Die intelligenten Kameras werden inzwischen in der dritten Produktgeneration gefertigt. Das Konzept hat sich seit 1995 in zahlreichen Anwendungen bewährt. Bislang wurden fast ausschließlich Schwarz-Weiß-Sensoren eingesetzt. Alle Farbkameras gibt es sowohl als Einchip- als auch Dreichip-Version. Die aufwändigeren Dreichip-Modelle haben getrennte Sensoren für die Farben Rot, Grün und Blau. Durch ein Prisma wird der Strahlengang aufgeteilt; Farbfilter sorgen für die unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten.Weil jedem Pixel ein eigener Wert für R, G und B zugeordnet wird, gelten Kameras dieser Art als besonders hochwertig.Probleme gibt es allerdings auch: Durch das vor den Sensoren angebrachte Prisma verringert sich der Raum zwischen dem Objektiv und dem Sensor und die optischen Eigenschaften. Meist müssen Spezialobjektive verwendet werden. Die Justage der drei CCD-Sensoren zueinander muss pixelgenau erfolgen und gelingt in den wenigsten Fällen im ganzen Bildbereich mit der gleichen Präzision. Als Folge gibt es Farbsäume und Farbabweichungen.Nachteilig ist die geringere OrtsauflösungEinchip-Kameras kommen mit einem einzigen Sensor aus. Auf das teure Prisma und die aufwändige Justage kann verzichtet werden. Der Trick besteht darin, die Pixel mit einer feinstrukturierten Filtermatrix in den Farben Rot, Grün und Blau zu versehen (Tabelle 1 - siehe Heftseite). Der Nachteil dieser Anordnung ist die geringere Ortsauflösung sowohl im Vergleich zur 3-CCD- als auch zur Schwarz-Weiß-Kamera. Auch kann es bei Objektkanten, sowie feinen Strukturen zur Vermischung von Ortsauflösung und Farbdarstellung kommen, was sich in unschönen Farbartefakten äußert.Die Berechnung eines Farbbildes aus Bayer-DatenDas Problem bei der Berechnung eines hochqualitativen Farbbildes aus den Pixeldaten mit Bayer-Muster besteht darin, dass die einzelnen Farbwerte an unterschiedlichen geometrischen Orten aufgenommen werden. Irgendwie sind Ort und Farbe der Pixel miteinander vermischt.Eine schon relativ gute Methode, dies zu entwirren, nutzt die Erkenntnis, dass man die fehlenden Farbwerte des Pixels durch Interpolation schätzen kann. So werden im Beispiel (Tabelle 2 - siehe Heftseite) die fehlenden Werte für Rot (R22) und Grün (G22) errechnet.Dies funktioniert sehr gut bei geringen Änderungen im Bild. Bei Objektkanten und feinstrukturierten Mustern gibt es allerdings starke Farbartefakte, die die spätere Bildauswertung erheblich stören können. Aufgrund der Mittelwertbildung leidet zudem die Ortsauflösung stark. Das mag mit ein Grund sein, dass unter Bildverarbeitern die (falsche) Auffassung weit verbreitet ist, mit Einchip-Kameras könne man nur zirka ein Drittel der Auflösung einer vergleichbaren Schwarz-Weiß- Kamera erzielen.Anders als bei den Konsumprodukten und teilweise auch im Überwachungssektor spielt Farbe in der Bildverarbeitung nur eine untergeordnete Rolle. Ein Grund mag darin liegen, dass für die verfolgten Problemlösungen die Auflösung wichtiger ist als Farbe. Auch bei der Definition des Farbfernsehens ging man den Weg, die Bandbreite für das Luminanzsignal wesentlich höher ausfallen zu lassen als für die Chrominanz. Wir gehen also davon aus, dass ein Bildverarbeiter, der bei uns eine Farbkamera kauft, zwar letztendlich die Farben seiner Prüfobjekte auswerten möchte. Doch bis es dazu kommt, wird er in erster Linie Grauwertoperationen benötigen.Wir definieren die Aufgabenstellung daher folgendermaßen: Erstens muss es mit einer Farbkamera leicht möglich sein, Grauwertverfahren anzuwenden. Zweitens soll die Kamera eine möglichst hohe Ortsauflösung für die Grauwerte besitzen. Forderung 1 lässt sich relativ leicht dadurch erfüllen, dass man das Farbbild durch eines der zahlreichen Farbmodelle realisiert, die die Luminanz enthalten, z.B. das YUV- oder das HSI-Modell. Wird die Luminanz genauso gespeichert wie sonst ein Graubild und die Farbinformation an anderer Stelle, dann kann man die zahlreichen vorhandenen Grauwertalgorithmen problemlos nutzen. Zur Erfüllung der zweiten Forderung wurden in einem aufwändigen Forschungsprojekt verschiedene Methoden entwickelt und miteinander verglichen. Die Farbbildverarbeitung ist keineswegs trivialAls bestes schnitt ein Verfahren ab, das statt der zuvor geschilderten 3×3-Umgebung die 5×5-Umgebung eines Pixels berücksichtigt. Dies ist natürlich weit mehr Rechenaufwand, müssen doch statt 9 Pixeln dann 25 Bildpunkte aus-gewertet werden. Bild 3 (siehe Heftseite) zeigt das Ergebnis im Vergleich zum 3×3-Verfahren. Klar erkennbar ist die höhere Ortsauflösung, die beim 5×5-Verfahren nur noch etwa 12% geringer ist als mit einer Schwarz-Weiß-Kamera mit gleichem Sensor.Aber auch die Farbartefakte an Objektkanten oder Objekten mit sehr feiner Struktur sind bei der 5×5-Methode deutlich geringer. Dies war eingangs gar nicht gefordert worden, stellte sich aber als positiver Nebeneffekt heraus.Der Clou der intelligenten Kamera ist es, dass sie nicht nur brilliante Bilder liefert, sondern diese auch noch verarbeiten kann. Zur Erleichterung der Programm-erstellung stellen wir dem Anwender Funktionsbibliotheken mit speziell für den verwendeten DSP optimierten Bibliotheksprogrammen zur Verfügung. Für die Farbverarbeitung gibt es Konvertierungsprogramme mit 3×3- und 5×5-Matrix, um aus dem Originalbild des Sensors mit Bayer-Muster ein Grau- oder Farbbild zu erzeugen. Dann gibt es alle möglichen Farbraumtransformationen beispielsweise für das YUV- und HSI-Modell, eine Funktion zum automatischen Weißabgleich, Farbhistogramm und Farbsegmentierung.

Michael Engel

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