Präzision und Wiederholgenauigkeit BV
Die Genauigkeit des BV-Systems ergibt sich aus der Summe aller Einzelfehler aller Komponenten
und der Störeinflüsse der Anlage, in die das System integriert wurde. Besonders empfindlich sind
Applikationen, bei denen präzise gemessen werden soll. Auch die schwankenden Umgebungs-Bedingungen, wie Fremdlicht müssen berücksichtigt werden. Es ist eher unwahrscheinlich, dass sich Fehler gegenseitig aufheben, sie addieren sich eher zu einem Gesamtfehler zusammen.
Typische Fehlerursachen für Ungenauigkeiten
- Anlagen-Vibrationen können zu Unschärfen oder Kamera-Offsets führen
- Ungenaue Zuführung der Teile in X- & Y-Position, aber auch in unterschiedlichem Arbeitsabstand zur Kamera kann zu perspektivischen Fehlern und Maßstabsänderungen führen.
- Verschmutzungen, wie Staub, Öl können Messungen massiv beeinflussen. Dreck auf der Beleuchtung oder auf dem Prüfkörper verursacht fehlerhafte Kantendetektionen.
- Die Qualität des Objektivs, vor allem bei nicht exakter Ausrichtung des Bauteils in translatorischer führt zu perspektivischen Effekten. Hier hilft evtl. ein telezentrisches Messobjektiv.
- Präzise, reproduzierbare Ausrichtung der Kamera nicht erfolgt
- Eine hohe elektronische Kamera-Verstärkung erhöht den Pixel-Jitter, fehlende Grautöne durch viele gesättigte Pixel verringert ebenfalls die Genauigkeit
- Genauigkeit der verwendeten Software-Tools: je nach verwendetem Algorithmus sind unterschiedliche Fehler möglich, diese können zwischen 1-2 Pixel bei Binäralgorithmen und 1/10 Pixel bei Kantendetektionen und Gradient basierten Objektsuchen liegen
- Ungenauigkeiten der Kalibrationsmethoden schleichen sich ebenfalls in das Ergebnis mit ein: Nicht präzise gedruckte und schlecht positionierte Kalibrationsgitter können ebenfalls zur Verschlechterung führen.
Im Laboraufbau und durch viel Praxiserfahrung kann der Fehler recht gut abgeschätzt werden, eine endgültige Messgenauigkeit kann jedoch erst im Anlagenbetrieb ermittelt werden. Dazu muss eine größere Anzahl Teile untersucht und kontrollweise gegengeprüft werden. Die Wiederholbarkeit einer Messung kann an einem Bauteil nachgewiesen werden, das zum Beispiel 50 Mal durch die Anlage geschickt und vermessen wird, um die Streuung der Ergebnisse zu untersuchen.
Streuung der Ergebnisse: Präzision und Wiederholbarkeit
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Die Wiederholgenauigkeit der Ergebnisse sagt aus, wie nahe beieinander liegend die einzelnen Mess-Ergebnisse liegen. Die Varianz ist in diesem Fall sehr gering: sie wird berechnet, indem man die Abstände der Messwerte von einem Mittelwert quadriert, addiert und durch die Anzahl der Messwerte teilt. Die Varianz hat dann allerdings eine andere Einheit als die Messergebnisse. Um diesen Schönheitsfehler zu korrigieren, drückt man die Ergebnisse auch als Standardabweichung aus. Die Standardabweichung ist die Quadratwurzel der Varianz. Folgende modifizierte Formel kann auch in Systemen, die kontinuierlich große Mengen an Messwerten erfassen, verwendet werden.
Formel zur Mittelwertsberechnung:
Gleitende Standardabweichung:
wobei die Summe der Mittelwerte und das Quadrat der Summe der Mittelwerte jedes Mal aktualisiert werden müssen.
Die Präzision der Ergebnisse definiert, wie nahe die einzelnen Werte an ihrem richtigen Wert liegen. Dazu muss allerdings der tatsächliche Wert vorliegen.
In der Anlage lässt sich die Präzision und Wiederholgenauigkeit mit einem "Golden Sample" belegen, wenn dasselbe Bauteil vielfach durch die Messzelle geschickt wird, von dem die Dimensionen bekannt sind. Können nur die Messwerte erfasst werden, kann nur die Wiederholgenauigkeit ermittelt werden. Die Annahme, dass eine hohe Wiederholgenauigkeit für die Richtigkeit der Ergebnisse steht, ist schlichtweg falsch. Die (Re-)Kalibration des BV-Systems ist auch hier zwingend erforderlich, um den echten Wert des Bauteils zu ermitteln und ins BV-System zu übertragen.
Die Wiederholbarkeit und Präzision der Ergebnisse wird stark durch das Ausgangsbild mit guten Kontrasten und der Software bestimmt. So ist bei Kantendetektionen und gradientenbasierten Objektsuchen eine Subpixel-Präzision möglich: Zwar wird intern mit vielen Nachkommastellen gerechnet, wie genau die Interpolation der Grautöne durch die Auswerte-Software letztendlich ist, zeigt sich jedoch im maschinellen Gesamtprozess mit allen Parametern und Störeinflüssen.
Optimierung der Messgenauigkeit von Bildverarbeitungssystemen
- Verwenden Sie Kameras mit genügend hoher Auflösung und einem rauscharmem Kamerasensor mit großen Sensor-Pixeln. Zum Messen nehmen Sie bitte im Normalfall immer Monochromkameras, da diese empfindlicher sind und verglichen mit Einchip-Farbkameras keine Bayerinterpolation und damit verbundene effektive Auflösungsreduktion aufweisen. CCD-Sensoren sind aufgrund ihrer Empfindlichkeit (bisher) CMOS-Sensoren überlegen und haben einen höheren Fill-Faktor. Ihre lineare Ausgangsdynamik eignet sich besser für Messapplikationen.
- Setzen Sie die Kameraverstärkung nicht zu hoch ein, auch das Rauschen wird damit verstärkt. Das Bild sollte nicht überbelichtet (gesättigte Pixel) sein, da dies ein Überstrahlen benachbarter Grautöne hervorruft. Dies zerstört direkt Pixelinformationen, bevor die Kameraelektronik sie auslesen kann!
- Gestalten Sie den Systemaufbau robust, präzise und störunanfällig. Vibrationen entkoppeln, Störlicht vermeiden durch Fremdlicht-Abschirmung oder geeignete optische Filter.
- Falls möglich, setzen Sie bitte telezentrische Messobjektive ein, die aufgrund eines parallelen Strahlengangs keine Bildperspektive aufweisen und innerhalb des Telezentriebereichs (in z-Richtung) denselben Abbildungsmaßstab aufweisen. Bei der Verwendung von Normalobjektiven wählen Sie bitte Objektive mit einer längeren Brennweite und möglichst geringer Verzeichnung. Besonders bei der Verwendung von hoch auflösenden Kameras mit kleinen Sensorpixeln sollte die Optik ein hohes Auflösungsvermögen haben.
- Die Beleuchtung sollte so stark sein, dass Fremdlicht keine Rolle spielt (jedoch das Bild nicht überstrahlt!). Fremdlichtabschirmung lässt sich mit farbiger Beleuchtung und geeigneten Filtern noch weiter optimieren. LED-Blitzcontroller helfen, LED-Beleuchtungen heller leuchten zu lassen. Eine Hintergrundbeleuchtung sollte beim Messen möglichst kollimiertes Licht (mit wenig Streulicht) abgeben, um scharfe Schattenkonturen zu erzielen. Im Idealfall ist die Hintergrundbeleuchtung ebenfalls telezentrisch.
- Software-Algorithmen sollten eine hohe rechnerische Genauigkeit ergeben. Biniarisierende Tools sind dazu vermeiden, gradientenbasierte Messtools aber auch kantenbasierte Objektsuchen sind (je nach Qualität mehr oder minder) für Subpixelmessungen geeignet. Linsenverzeichnungen lassen sich durch nichtlineare Bildtransformierungen aus dem Bild rechnen und das Ergebnis weiteroptimieren. Im Extremfall kann dasselbe Teil mehrfach vermessen und mit statistischen Methoden ein idealisierter Wert generiert werden.
