Beleuchtungsmethode Richtig beleuchtet, richtig erkannt

Die Lösung einer Bildverarbeitungsaufgabe steht und fällt mit der Auswahl der richtigen Beleuchtungsmethode. Sie ist ausschlaggebend für die Qualität der Bildaufnahme und kann gleichzeitig die...

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Die Lösung einer Bildverarbeitungsaufgabe steht und fällt mit der Auswahl der richtigen Beleuchtungsmethode. Sie ist ausschlaggebend für die Qualität der Bildaufnahme und kann gleichzeitig die nachfolgende Bildauswertung stark vereinfachen. Auch deshalb gehört die Auswahl der Lichtquelle zu den komplizierten und häufig gerne vernachlässigten Aufgaben in der Bildverarbeitung. Was Sie dazu wissen sollten, steht im vorliegenden Beitrag.Streng physikalisch betrachtet wird mit Hilfe der Bildverarbeitung nicht das Objekt selbst, sondern sein Abbild geprüft. Darum müssen stabile und reproduzierbare Beleuchtungsbedingungen vorliegen, um stets ein gleich bleibendes Abbild des Prüflings bzw. identische Umgebungsbedingungen für eine Untersuchung zu garantieren. Schwankende Beleuchtungssituationen müssen also vermieden werden, wenn strenge Qualitätskriterien bei der Überprüfung von Objekten zugrunde gelegt sind. Nur wenn es möglich ist, gewünschte Prüfmerkmale oder Fehler mit genügend Kontrast zu visualisieren, sind diese auch anschließend per Bildverarbeitungssoftware auswertbar. In der Regel ist dazu das Prüfobjekt durch eine künstliche Lichtquelle zu beleuchten. Ausnahmen stellen etwa selbstleuchtende Prüflinge dar. Die Forderung klingt sehr banal, doch zeigt die Praxis, dass es ganz und gar nicht trivial ist, den Fehler bzw. das Merkmal für die Kamera sichtbar zu machen.Transparente Oberflächen und kleine KratzerAnwendungen, die eine geeignete Form der Beleuchtung erfordern, sind beispielsweise transparente Glasflaschen, deren Glasprägeschrift im Flaschenboden gelesen werden soll. Prüfobjekt und Merkmale sind also aus gleichem, noch dazu durchsichtigem Material. Auch ein einfacher Kratzer auf metallischer Oberfläche ist eine Prüfsituation, in der der Fehler quasi aus identischem Material besteht, aber das BV-System ihn zuverlässig erkannen muss. Gleiches gilt auch bei Prägungen und Ausformungen in Werkstoffen.Somit ist deutlich, das dem Licht mit seiner Wechselwirkung innerhalb der Dreierkette Beleuchtungseinheit, Prüfobjekt und Kamera eine Schlüsselfunktion zukommt. Nur die geschickte Ausnutzung aller Eigenschaften von geeigneter Lichtquelle, Prüfobjekt und Kamera kann oftmals erst die Lösung schwieriger Applikationen erlauben. Entscheidende Eigenschaften sind dabei im Licht seine Wellenlänge (und damit Farbe), die direkte oder diffuse Ausrichtung seiner Strahlen, die Sperrung von Wellen einer bestimmten Ausbreitungsebene (polarisiert/nicht polarisiert) und schließlich ist auch der Einfallswinkel von großer Bedeutung, wie wir noch sehen werden. Beim Prüfling sind das Material, seine Oberfläche, die Geometrie des Körpers und die Farbe bedeutend. Einige wichtige Kameraeigenschaften sind Empfindlichkeit, Auflösung, Darstellung in Farbe oder Schwarz-Weiß und nicht zuletzt die Bildsensortechnik (CCD oder CMOS). Weil die Körpereigenschaften des Prüfobjekts nur in Ausnahmefällen beeinflussbar sind (etwa durch Teileeinfärbungen oder UV-aktive Farbstoffbeimischungen), bestimmt das Objekt die auszuwählende Beleuchtung und Kamera. Die Kamera ihrerseits definiert mit Arbeitsabstand und Anschlussgewinde die einzusetzende Optik. Und mit dem Datenformat (elektrisch umgesetztes Abbild am Signalausgang) und ihre Datenrate (Schnelligkeit der Bilderfassung) bestimmt die Kamera auch die einzusetzende Bilderfassungskarte (Frame-Grabber).Welches Licht braucht nun die Kamera? In der Bildverarbeitung kommt häufig weißes Licht zur Anwendung. Dieses lässt sich mit unterschiedlichen Techniken erzeugen. Ganz nach Aufgabenstellung, Lichtbedarf, Objektgröße und verfügbarem Platz nutzt man dazu LED-Beleuchtungen, hochfrequentes Fluoreszenzlicht, Halogenglühlampen oder Metallhalid-Leuchtquellen (sogenannte Kaltlichtquellen mit Glasfaserübertragung).Neben weißem Licht auch rotes Licht erforderlichEntsprechend der Anwendung kommen neben Weiß auch andere Lichtfarben zum Einsatz. Häufig wird Rot eingesetzt. Warum gerade Rot zeigt folgendes Beispiel eines Etiketts auf einer Getränkeflasche (siehe Heftausgabe): Das menschliche Auge sieht ein farbiges Etikett mit dunkelblauem und rotem Schriftzug. Doch für die in der Bildverarbeitung am häufigsten eingesetzte Schwarz-Weiß-Kamera (Monochrom-Kamera) „sieht“ das Etikett wie eine Fotokopie aus: Rot und Blau sind zu Grau geworden, der Rest ist hell bzw. Weiß. Beleuchtet man dieses Etikett nun mit rotem Licht, etwa mit roten LEDs, dann erscheinen rote, weiße und graue Elemente für eine Farbkamera in Rot, während blaue und schwarze Elemente Schwarz bzw. Grau aussehen. Der Grund hierfür ist, dass das monochromatische rote Licht der LED von den roten, weißen und grauen Elementen des Objekts reflektiert wird, nicht jedoch von den blauen und schwarzen Elementen. Möchte der Anwender also in diesem Beispiel nur den Aufdruck des Wortes „Pepsi“ prüfen, wären eine Farbkamera und eine rote Beleuchtung gut geeignet, um die nicht zu überprüfenden Elemente allein durch die Beleuchtungswahl zu reduzieren. Interessanterweise lässt sich die gleiche Information auch mit einer roten Beleuchtung und einer (in der Regel preisgünstigeren) Monochrom-Kamera erzielen.Welche Beleuchtungstechniken gibt es? Wie schon erwähnt beeinflusst auch der Einfallswinkel des Lichtes auf das Objekt das Ergebnis. Daher gibt es verschiedene Techniken wie Auflicht oder Durchlicht, direktes oder diffuses Licht, Hell- oder Dunkelfeldbeleuchtung. Im direkten Auflicht erhellt eine Ringleuchte das Objekt mit mehr oder weniger parallel zur optischen Achse der Kamera verlaufenden Strahlen. Das Bild unseres Beispiels Steckerprüfung erscheint sehr inhomogen und fleckig. Bei der diffusen Hellfeld-Beleuchtung aber ist es 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.Besondere Beleuchtung bringt Licht ins DunkelDiffuse Dunkelfeldbeleuchtung vermeidet die Schatten. Das schräg einfallende Licht einer Ringleuchte mit variablem Winkel zwischen Auflicht und Objekt bringt auch mehr Details im Stecker. Die Dunkelfeldbeleuchtung nutzt den Lichteinfall flach in der Objektebene. Obere Kanten von Pins, Stecker und Bohrungen bilden helle Kreise und sind damit für eine Auswertesoftware gut erkennbar. Der fehlende Pin (kein heller Kreis) und der gebogene Pin (falsche Position) sind im Gegensatz zur Auflichtbeleuchtung besser sichtbar. Beim Durchlichtverfahren wird Licht von der Rückseite des Objekts in Richtung der Kamera gerichtet. Nur dort, 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.Diese Beispiele zeigen ganz deutlich, wie wichtig das passende Licht und die Technik ist: Fünf verschiedene Beleuchtungen führen zu fünf unterschiedlichen Ergebnissen. Nach genauer Analyse der Aufgabe verlangt die Beleuchtungsauswahl große Sorgfalt. Wer in der Thematik nicht sattelfest ist und sich zeitaufwendige Tests ersparen will, sollte Experten zu Rate ziehen, die als Distributor oder Hersteller meist auch alle Komponenten für eine erfolgreiche Anwendung parat haben. Wenn nicht, dann wird man Ihnen die passenden Partner vermitteln.

Sophie Perrot

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