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    Das Auge des Inspektionssystems

Einchip-Farbkameras

Etliche Applikationen lassen sich nur mit Hilfe einer Farbkamera lösen.

Die Informationen eines monochromen Bildes, das  mit 8 Bit Graustufen nur 256 verschiedene Grautöne differenzieren kann, ist für viele Applikationen zum Detektieren von Fehlern, für Anwesenheitskontrollen und für Vermessungsaufgaben absolut passend, solange genügend Helligkeitsdifferenz/ Kontrast zwischen den Prüfbereichen besteht. So kann im unten stehenden Bild z.B. das Obst sehr deutlich vom Hintergrund unterschieden werden. Der Grauton im Ergebnisbild ist abhängig von der Sättigung und der der Luminanz der Farbe, aber auch stark von der Reflektanz der Oberfläche.

Monochrombild mit 8 Bit

Schwierigkeiten treten jedoch hier schnell auf, wenn benachbarte Bereiche mit ähnlicher Helligkeit inspiziert und differenziert werden sollen. Farbige Prüfmerkmale, die mit einer Monochromkamera eventuell denselben Grauwert ergeben hätten (zum Bsp. ein Hellblau und ein Hellgrün), können jetzt mit Hilfe der zusätzlichen Farbinformation sauber voneinander unterschieden werden.

Farbbild mit 24 Bit Farbe

Als einfache, günstige Lösung für diese Aufgabenstellung bieten sich Einchip-Farbkameras an: Diese sind in der Lage mit 3* 8 Bit RGB wesentlich mehr Information zur Verfügung zu stellen. Dies ergibt theoretisch 16,7 Millionen verschiedene Farbabstufungen.

Am Markt  ist eine große Anzahl an Farbkamera-Modellen erhältlich, die eine ordentliche Farbqualität bieten. In vielen Fällen sind diese nicht teurer wie das monochrome Schwestermodell.

 

Typischer Einsatz von Farbkameras

  • Ständig wechselnde Farben der Prüfobjekte
  • Viele verschiedene Farben gleichzeitig im Bild, die sonst nicht unterschieden werden könnten
  • Möglichst wirklichkeitsgetreue Abbildung, Wiedergabe und Aufzeichnung von Bildern, so wie es der Mensch eben auch sehen würde
  • Farbüberwachung, Farbkodierungs-Überprüfungen und Farbtonmessungen an Objekten
  • Print-Bereich/ Druckerzeugnisse

Eine Großzahl der Farbapplikationen wird mit Einchip-Farbkameras gelöst. Bei kritischen Applikationen, die eine hohe Farbtreue und große Farbtondiffernzierung benötigen, werden bevorzugt Dreichip-Farbkameras verwendet.

 

Funktions-Prinzip des Bayer-Mosaiks

Im Vergleich zum Monochrom-Sensor werden zusätzlich transparente Farbfilter Pixel für Pixel aufgebracht. Diese Filter bewirken, dass die einzelnen lichtaktiven Bereiche des Sensors unterschiedlich auf die Wellenlängen des sichtbaren Lichtes reagieren. Da zu jedem Bildpunkt nur rote, grüne oder blaue Farbkomponenten als Information gegeben sind, muss eine Software-Methode die fehlenden Farbkomponenten ermitteln, um ein "RGB-Pixel" zu erhalten.

Vergleich Monochrom-  und Farbsensor mit Bayerfilter

Das tatsächlich auf einer Einchip-Farbkakamera erzeugte Farbbild ist jedoch stets ein Graustufenbild, das ein grau gerastert ist. Die Helligkeit der Grautöne entspricht der jeweiligen Intensitäten der Farben Rot, Grün oder Blau. Unter der Berücksichtigung der jeweiligen Pixel-Nachbarn können die fehlenden R/G/B-Werte gewonnen und für alle Pixel errechnet werden, da man ja an jedem Punkt nicht nur entweder Rot, Grün- oder Blauwerte, sondern für jedes Pixel die volle RGB-Information wissen will.


Farbaufnahme

Farbaufnahme

Aus Bayerbild errechnetes Bild enthält Farbinformationen, verliert jedoch Detailauflösung durch Bayerpattern und hat Fehlinformationen an Objektkanten .
Bayer- Rohbild

Bayer- Rohbild

Bayer-Bild ohne Farbkonvertierung: RGB-Farbmosaik auf dem 1Chip-Farbsensor ergibt nativ ein Graustufenbild, bei dem die R/G/B-Pixel unterschiedlich hell sind. Das Bild wirkt gerastert.

Übertragung der Farbinformationen

Moderne industrielle Farbkameras können Ihre Daten oftmals in verschiedenen "Farbformaten" übertragen:

  • RGB: Die Bayer-Farbkonvertierung des Bildes erfolgt bei einer RGB-Kamera bereits auf dem FPGA der Kamera-Elektronik, die Kamera versendet also 24 Bit-Farbinformation.
  • YUV: Zur Datenreduktion kann teilweise auch ein YUV-kodiertes Signal gesendet werden, das nur noch 16 Bit zur Übertragung benötigt.
  • Bayer-Raw: Die geringste Datenrate bei der Signalübertragung entsteht jedoch, wenn das monochrome Bayer-Rohbild verschickt und auf einer Frame Grabber-Karte oder mit Hilfe einer Software auf dem PC in Farbinformation zurückgerechnet wird.

 

Nachteilige Effekte gegenüber Monochromkameras

Nur wo wirklich Farbinformation zur Auswertung benötigt wird, werden auch Farbkameras eingesetzt. Eine Vielzahl an Gründen sprechen nach wie vor für den Einsatz von Monochromkameras:

  • Durch die Farbinterpolation einer Einchip-Farbkamera verliert der Anwender über 30 Prozent der Auflösung bei feinen Details. Es entstehen Kanten-Effekte durch Bayer-Interpolation und Falschfarben an den Objektkanten, die als markant bunte Pixel auffallen. Mit Monochrom- oder Dreichip-Farbkameras derselben Auflösung können daher kleinere Strukturen detektiert werden. Es kann stets genauer mit einer Monochromkamera gemessen werden (siehe Gitterlinien und Balkenmuster in den Bildern unten).
  • Die Bildübertragungsrate und Datenmenge ist je nach Datenformat meist weitaus größer als bei einer Monochromkamera.
  • Hoher Lichtverlust: Die Farbfilter auf den Pixeln reduzieren die die Empfindlichkeit um bis zu 75% gegenüber monochromen Kameras. Dies kann kritisch werden bei Applikationen, die eine kurze Belichtungszeit erfordern.
  • Workaround für Monochromkameras bei farbigen Objekten ähnlicher Helligkeit: Einzelne Farben der Prüfobjekte können bei Monochromkameras mit Hilfe farbiger Beleuchtung aufgehellt oder verdunkelt und so trotzdem unterschieden werden. So kann der Einsatz einer Farbkamera noch evtl. vermieden werden.
Farbaufnahme

Farbaufnahme

Bild enthält Farbinformationen, verliert jedoch Detailauflösung durch Bayerpattern und hat Fehlinformationen an Objektkanten.
Monochrombild

Monochrombild

Höhere effektive Auflösung als 1Chip-Farbsensor. Ein Unterscheiden von Rot, Grün und Blau ist im Monochrombild ist jedoch schwierig.

 

Wichtig für die industrielle Bildverarbeitung

  • Farbkamera-Sensoren sind üblicherweise mit einem Tageslicht-Bandpassfilter versehen, der UV- und IR-Strahlung ausblendet, um Fehlinformationen zu vermeiden. So würde zum Beispiel durch die Beleuchtung mit einer Halogenlampe (durch den hohen IR-Anteil) ein extrem rotstichiges Bild erzeuget werden, da die IR-Strahlung als zusätzliches "Rot" interpretiert würde. Falls ein solches Filterglas nicht montiert sein sollte, können Sie dies auch auf Ihre Optik aufschrauben.
  • Eine Kamera detektiert in den allermeisten Fällen keine direkte Lichtemission, sondern Farben, die durch die Absorption, Remission, Reflektion etc. von Licht am Bauteil entstehen. Wird die Bauteiloberfläche räumlich zur Kamera verkippt, kann sich schnell die Helligkeit der Farbe verändern, die von der Kamera wahrgenommen werden kann.
  • Auch das einfallende Licht verändert sich stark mit der Zeit nach dem Einschalten der Beleuchtung: So zeigen sich bei Leuchtstofflampen deutliche Helligkeitsverschiebungen während der Einschaltphase der Anlage innerhalb der ersten 20 Minuten. Auch weiße LEDs zeigen Helligkeitseffekte mit der Erwärmung beim Einschalten.
  • Jede Beleuchtung altert, gibt im Laufe der Zeit immer weniger Licht ab und verschiebt ihre Farbtemperatur im Laufe der Zeit. Dies kann ebenfalls zu Verschiebungen der gemessenen Farbwerte bei der Farbinspektion führen. Hier könnte ein Stabilisieren der Lebensdauer und Farbtemperatur der LED mittels Blitzcontroller oder das zyklische Tauschen mehrerer Beleuchtungen im Lampencluster  oder das frühzeitige Wechseln von Halogen- und Leuchtstofflampen helfen. Alternativ bieten sich ein erneuter Weißabgleich und eine Helligkeitsanpassung mittels Korrektur der Belichtungszeit der Kamera an.

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