Bewährte Praktiken für bessere Bildgebung

Autoren: Gregory Hollows, Nicholas James

Dies ist ein Teil des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

Egal, ob Ihre Anwendung im Bereich der Fertigungsautomatisierung, der Life-Sciences oder in einem anderen Bereich realisiert werden soll, das Verständnis von Grundlagen der Bildverarbeitung vereinfacht die Entwicklung und Realisierung anspruchsvollster Bildverarbeitungssysteme. Auch wenn die Fortschritte in der Sensor- und Beleuchtungstechnologie grenzenlose Möglichkeiten suggerieren, gibt es physikalische Grenzen bei der Entwicklung und Herstellung dieser Technologien. Optische Komponenten sind ebenfalls von diesen Grenzen betroffen und die Optik kann oft der limitierende Faktor der Systemleistung sein. Der Inhalt dieses Leitfadens soll helfen, ein Bildgebungssystem zu spezifizieren, die Systemleistung zu maximieren und die Kosten zu minimieren.

Hier finden Sie einige einfache und bewährte Praktiken für die Erstellung anspruchsvoller, kostengünstiger Bildgebungssysteme, die in vielen Anwendungen eingesetzt werden können. Obwohl die Liste nahezu vollständig ist und bei der Entwicklung jedes Bildgebungssystems verwendet werden sollte, ist jede Anwendung einzigartig und erfordert möglicherweise zusätzliche Überlegungen.

#1: Der Platzbedarf eines Bildverarbeitungssystems

Die Kenntnis des Platzbedarfs eines Systems vor dem Bau ist vor allem bei hohen Auflösungs- und Vergrößerungsanforderungen entscheidend. Die jüngsten Fortschritte in der Kameratechnologie haben außergewöhnliche Consumer-Kameras in kleinen Größen hervorgebracht. Diese Fortschritte kommen jedoch selbst industriellen Bildverarbeitungssystemen mit mittlerem Niveau kaum zugute, was sich teilweise auf deren Größenbeschränkungen zurückführen lässt. Viele Anwendungen benötigen zusätzlich zu Verkabelungen und Stromversorgungen, die zur Bedienung eines Teils der Komponenten benötigt werden, komplexe Lichtgeometrien, lange Objektive mit großem Durchmesser sowie große Kameras. Vermeiden Sie Leistungseinbußen, indem Sie bei der Projektplanungsphase die räumliche Machbarkeit berücksichtigen. Spezifizieren Sie zuerst die Anforderungen des optischen Bildgebungssystems eines Projekts. Es ist typischerweise einfacher, Elektronik und Mechanik um den optischen Teil herum anzuordnen, als andersherum. Beachten Sie auch, dass die Beleuchtung Teil des Bildverarbeitungssystems ist und dass das zu prüfende Objekt möglicherweise die Verwendung großer oder zahlreicher Lichtquellen erfordert, wie z. B. eine diffuse Kuppel (siehe bewährte Praktik #4).

#2: Trauen Sie Ihren Augen nicht

Das menschliche Auge und das Gehirn arbeiten zusammen und bilden ein extrem fortschrittliches Bildgebungs- und Analysesystem, das in der Lage ist, Informationen zu ergänzen, die nicht unbedingt vorhanden sind. Hinzu kommt, dass sich die Art und Weise, wie Menschen sehen und Kontraste verarbeiten, grundlegend von bildgebenden Systemen unterscheidet. In der Bildverarbeitung muss mithilfe einer Software-Analyse überprüft werden, ob die Anforderungen an Bildqualität und Leistung erfüllt werden. Bilder, die für einen Menschen gut aussehen, sind möglicherweise nicht ausreichend.

#3: Gehen Sie nicht zu nah ran

Aufgrund physikalischer Gegebenheiten stellt der Versuch sehr große Bildfelder (FOV) im Verhältnis zum Arbeitsabstand (WD) eines Objektivs abzubilden übermäßige Anforderungen an das Design der optischen Komponenten, wodurch die Systemleistung sinkt und der Bedarf an Bildnachbearbeitung sowie die Bearbeitungszeit steigt. Um die Leistung zu maximieren und gleichzeitig die Kosten und die Komplexität zu minimieren, wird empfohlen, ein Objektiv so zu wählen, dass die WD etwa zwei- bis viermal so lang ist wie die gewünschte FOV-Breite. Denken Sie an die bewährte Praktik Nr. 1 und berücksichtigen Sie den Platzbedarf des Bildgebungssystems, bevor Sie das System aufbauen.

Die obige Empfehlung gilt auch für das Verhältnis zwischen Sensorgröße und Brennweite. Um eine hohe Abbildungsqualität zu erzielen, ist ein Verhältnis von Brennweite zu Sensordiagonale von zwei bis vier (2:1 bis 4:1) ideal.

Abbildung 1: Zwei Objektivdesigns, 1a (links) und 1b (rechts), mit gleichem Bildfeld und sehr unterschiedlichen Arbeitsabständen.

#4: Die Beleuchtung

Damit ein Objektiv und ein Sensor effektiv zusammenarbeiten können, muss ein starker Kontrast durch die richtige Beleuchtung des Objekts erzeugt werden. Die Eigenschaften des zu prüfenden Objekts und die Art der Fehler müssen bekannt sein, damit die richtige Beleuchtungsgeometrie verwendet wird. Denken Sie daran, dass Lichtquellen sehr groß sein können (siehe bewährte Praktik #1). Erfahren Sie mehr über Beleuchtungsgeometrien in unserem Anwendungshinweis Bedeutung und Auswahl der korrekten Beleuchtung.

#5: Auf die Farbe kommt es an

Die für die Beleuchtung gewählte Wellenlänge (Farbe) kann einen enormen Einfluss auf die Systemleistung haben. So kann beispielsweise bei einer Anwendung, die eine qualitativ hochwertige Optik in Kombination mit einem leistungsstarken Sensor nutzt, der Wechsel zwischen breitbandiger und monochromatischer Beleuchtung, beziehungsweise zwischen einzelnen Wellenlängen, die Leistung deutlich erhöhen. Ähnlich wie unter #4 kann hier die Wahl der richtigen Wellenlänge den Unterschied zwischen einem hohen und gar keinem Kontrast machen und über Erfolg und Misserfolg des Systems entscheiden.

Abhängig von der Wellenlänge des Lichts gibt es verschiedene Fokuspunkte. Dieses Bild zeigt drei Punkte für drei verschiedene Wellenlängen.

Abbildung 2: Abhängig von der Wellenlänge des Lichts gibt es verschiedene Fokuspunkte. Dieses Bild zeigt drei Punkte für drei verschiedene Wellenlängen.

In unserem Anwendungshinweis Filtertechnik erfahren Sie mehr über den richtigen Einsatz von Filtern, die die Abbildungsleistung verbessern können.

#6: Hohe Auflösung vs. große Tiefenschärfe

Wie in Tiefenschärfe und Abbildungstiefe gezeigt, hängen Auflösung und Tiefenschärfe von derselben Variablen ab, der Blende des Objektivs, die für eine Maximierung dieser beiden Parameter in entgegengesetzte Richtungen bewegt werden muss. Es ist unmöglich, sowohl eine hohe Auflösung als auch eine große Tiefenschärfe zu erreichen. Wird dies trotzdem benötigt, müssen komplexere Techniken angewandt werden, wie beispielsweise die Nutzung von mehreren Bildverarbeitungssystemen oder von Flüssiglinsen.

#7: Keine universelle Lösung für alle Anwendungen

Mit steigenden Anforderungen an die Auflösung wird es immer schwieriger Aberrationen (optische Designmerkmale, welche die Leistung nachteilig beeinflussen) über einen breiten Bereich an Arbeitsabständen und Bildfeldern zu verringern. Selbst ohne Budgetbeschränkungen tauchen physikalische Grenzen auf. Daher wird eine breite Palette an Objektiven für eigentlich ähnliche Anwendungen benötigt.

Abbildung 3: Vergleich zweier Objektivgrößen für ganz unterschiedliche Anwendungen.

Weitere Details zum Thema Objektivleistung finden Sie im Abschnitt Objektivtypen in der Bildverarbeitung.

#8: Das Objekt

Die Basis der Bildgebung besteht in dem Vermögen den höchstmöglichen Kontrastgrad bei einem Prüfobjekt zu erreichen. Daher sind Kenntnisse über die Eigenschaften eines Objekts, wie beispielsweise Material oder Oberflächenbeschaffenheit, für den Erfolg einer Anwendung entscheidend. Des Weiteren reicht es nicht aus zu wissen, welche Prüflinge als gut oder schlecht erachtet werden. Um einen hohen Grad an Verlässlichkeit und Wiederholbarkeit gewährleisten zu können, müssen vielmehr die zu prüfenden Details sowie die Grenzbereiche von Gut und Schlecht bekannt sein.

#9: Die Umgebung des Bildverarbeitungssystems

Die Umgebung, in der das Bildverarbeitungssystem genutzt wird, hat erhebliche Auswirkungen auf die Verlässlichkeit und Konsistenz der Ergebnisse. In einer stabilen Umgebung vermindert sich das Risiko unerwarteter Probleme. Egal ob Filter zur Kontrasterhöhung eingesetzt werden, Abschattungen zur Vermeidung von ungewolltem Licht im System oder Messgeräte zur Sicherstellung der spektralen Stabilität von Lichtquellen; die Kontrolle über die Umgebung vermindert das Auftreten unvorhergesehener Probleme. Einige dieser Techniken stellen extrem günstige Möglichkeiten zum Schutz und zur Leistungssteigerung eines teuren Bildverarbeitungssystems dar.

#10: Das System verstehen

Scheuen Sie sich nicht nachzufragen, warum ein System funktioniert oder nicht. Lieferanten sollten in der Lage sein zu erklären, warum einzelne Systemkomponenten das gewünschte Ergebnis erzielen oder eben nicht. Die Antwort kann dabei sehr unterschiedlich ausfallen (z. B. kann es sich um physikalische Grenzen oder Mängel beim Design handeln). Nichtsdestotrotz sollten Entwickler und Hersteller Ihnen erklären können, welche Möglichkeiten hinter ihren Produkten stecken.

#11: Bestimmung der Parameter

Grenzt man die einzelnen Parameter, die für ein bestimmtes Bildverarbeitungssystem notwendig sind, ein, so reduziert sich die große Anzahl an Objektiven und Sensoren auf eine überschaubare Auswahl an Komponenten. Grundlegende Parameter von Bildverarbeitungssystemen bieten einen hervorragenden Ausgangspunkt und werden daher in unserem nächsten Abschnitt näher beschrieben.

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