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    Das Auge des Inspektionssystems

Kamera-Elektronik

Eine hervorragende Kamera-Elektronik zur korrekten Signalverarbeitung ist das Maß aller Dinge. Das korrekte Verarbeiten und Digitalisieren der Sensor-Daten kann je nach Hersteller trotz 100% identischem Sensor recht unterschiedlich ausfallen. Hier zeigt sich erst, wie gut ein Kamera-Hersteller und die Kamera-Elektronik wirklich ist. Zum Schluss sollte die Hardware möglichst kühl bleiben, da Signal-Rauschen hauptsächlich von Wärme verursacht wird. Leider geben die Datenblätter der Kamerahersteller wenig und kaum normierte Informationen her, dass der allgemeine Anwender diese direkt Hersteller-übergreifend vergleichen könnte. Der EMVA-Standard 1288 soll hier jedoch Abhilfe schaffen.

Wichtige Begriffe im Bezug auf die Kamera-Elektronik werden unten stehend erläutert:

 

Dynamik eines Kamera-Signals

Die Angabe der Signalpegel des Kamera-Sensors wird typischerweise in Dezibel (dB) angegeben. Mit Hilfe dieser logarithmischen Verhältnisgröße können sehr große Zahlenwerte sehr einfach veranschaulicht werden. Eine Verdoppelung der Leistung entsprechen etwa 3 dB, dies entspricht einem Gewinn von einem zusätzlichen Daten-Bit. Die Verzehnfachung des Signals entspricht gemäß der logarithmischen Skala einer Änderung um 10 dB.

Die theoretischen Dynamikumfänge der Digitalisierungsraten von CCDs liegen zwischen ewta  50 und
80db.

Ein Bild mit n Bit  Signal-Information beinhaltet:

  • 8 Bit >256 Grauwertstufen>48db.
  • 10bit > 1024 Grauwertstufen>60db
  • 12bit >4096 Grauwertstufen>72db
  • 14bit >16386 Grauwertstufen>84db

Die Angabe der Bittiefe der übertragenen Kameradaten und der Angabe der internen Verarbeitungs-Genauigkeit in x Bit ergeben jedoch noch lange nicht entsprechende Bild-Information in Grautönen. Allerdings lassen die Angaben über interne Bittiefe der Digitalisierung Rückschlüsse über eine mögliche Genauigkeit zu. Die Datenausgabe erfolgt dann meist mit 8 Bit, evtl. auch auf Wunsch in 10 oder 12 Bit.

Bsp.: Bilder mit 4, 6 und 8 Bit Signalinformation

Graubild 4Bit

Graubild 4Bit

Extrem große Helligkeitssprünge. Grautonkeil umfasst nur 16 Grautöne.
Graubild 6Bit

Graubild 6Bit

Manche Bildbereiche erscheinen fleckig. Im Grautonkeil sind noch feine Sprünge zwischen den Helligkeiten erkennbar.
Graubild 8Bit

Graubild 8Bit

Sehr schöne fließende Grautöne. Graukeil erscheint perfekt im Helligkeitsverlauf ohne erkennbare Abstufungen.


Je höher die Dynamik, desto mehr Grautöne können letztendlich vom Kamerasystem unterschieden werden. Letztendlich bedeutet dies einen besseren Kontrast und perfekte Grautonverläufe im Bild.

 

Rauschen und Signal/ Rausch-Abstand

Das Rauschen einer Kamera wird durch eine Vielzahl von Faktoren erzeugt .Rauschen entsteht durch die Wärmebewegung von Elektronen in elektrischen Leitern. Es zeigt sich im resultieren Kamerabild durch ein zufälliges, von Bild zu Bild stets wechselndes Grauton-Muster. So schwanken im Praxisbetrieb die Grautöne trotz homogener Ausleuchtung auf einer homogenen Fläche um mehrere Prozent. Sensorrauschen, Digitalisierungsrauschen, das Rauschen aller elektronischen Bauteile addieren sich zu einem Gesamtfehler zusammen, der das Videobild verschlechtert.

Eine wichtige Größe zur Angabe der Güte des Signals ist der Signal-Rauschabstand S/N  (signal/ noise). Je schlechter der Wert ist, desto stärker schwanken die Messwerte. Wie auch die Signalinformation kann dieser Wert in dB angegeben werden. Dazu wird die Signalleistung S  ermittelt und anschließend die Rauschleistung N bei abgeschaltetem Signal.

SN= 10*lg (S / R) dB

Der Signal/Rauschabstand moderner industrieller CCD-Kameras liegt bei etwa 56 dB.

 

Dunkelstrom und Hot Pixel

Bei abgedecktem Kamera-Sensor ohne Lichteinfall zeigt sich, dass trotzdem schwache Signale auftreten. Dieser wird als Dunkelstrom (dark current) bezeichnet und wird durch die Bildung spontaner, freier Ladungsträger auf dem lichtempfindlichen Sensor verursacht. Wie Lichtphotonen kann auch Umgebungswärme als Energiezufuhr ausreichen, um freie Elektronen zu erzeugen. Dieser Effekt ist temperaturabhängig und kann durch Kühlung stark gemildert werden. Es ist daher besonders wichtig, dass industrielle Kameras möglichst kühl bleiben und gut die Erwärmung der Elektronik ableiten können. Durch eine Kamerakalibrierung (Dunkelbild-Kalibrierung) kann dieser Effekt gemildert werden, da der Dunkelstrom für jedes Pixel individuell ist. Pixel mit besonders hohem Dunkelstrom fallen als leuchtende Punkte im schwarzen Kamerabild auf. Sie werden als "hot pixels" bezeichnet. Je nach Sensor-Güte sind eine unterschiedliche Anzahl an hot / defect pixels zulässig und sind leider fast immer zu beobachten. Moderne Kameras können diese durch Nachbarschafts-Interpolation verrechnen.

 

Quanteneffizienz und full well capacity

Die Quanteneffizienz des Sensors gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit durch den photoelektrischen Effekt ein Elektron freigesetzt wird und damit das Photon detektiert werden kann. Die Quanteneffizienz wird auch Quantenausbeute genannt und ist stark abhängig von der Wellenlänge des Lichts.

Angaben dieser Art sind von den Sensorherstellern zu erhalten.


Die full well capacity definiert, wie viele Ladungen ein einzelnes Kamerapixel aufnehmen kann, bis es gesättigt ist. Durch die Miniaturisierungen der Kamerapixel schrumpft diese Zahl zunehmend, während sich photonisches Rauschen und ähnliche Effekte physikalisch bedingt nicht verringern lassen. Eine  kleine full well capacity ist nicht vorteilhaft.

 

Blooming eines Sensor-Signals

Wird auf dem Sensor durch das einfallende Licht mehr Ladung erzeugt, als das einzelne Pixel(durch seine full well Kapazität definiert) aufnehmen kann, kommt es im Normalfall zu Blooming. Überschüssige Ladungen wandern in benachbarte Pixelbereiche über und erzeugen dort ebenfalls Signale. Die Folge ist ein Überstrahlen des dunklen Prüfobjekts (dunkle Kanten werden "zusammengedrückt, helle Bildbereiche dehnen sich aus). Moderne Sensoren haben ein Anti-Blooming-Gate zum Abführen überschüssiger Ladungen. Dieser Effekt tritt bevorzugt bei CCD-Sensoren auf und ist meist nur bei besonders starker Überbelichtung erkennbar.

Der EMVA Standard 1288

Die Bestimmung und Angabe der Größen wie Empfindlichkeit, Rauschen, Signal-Rausch-Abstand, Dunkelstrom, Quanteneffizienz etc. sind in der Praxis wichtige Kamera-Kenngrößen zur Beurteilung der Qualität des Kamerasystems. Allerdings werden diese Werte bisher von den einzelnen Herstellern mit unterschiedlichen Methoden gemessen oder erst gar nicht publiziert und sind daher schlecht vergleichbar.

Zur besseren Vergleichbarkeit dieser Kenngrößen wurde von der EMVA (European Machine Vision Organisation) der Standard 1288 definiert, der festlegt, wie diese Größen zu bestimmen sind. Der Standard befindet sich momentan (Frühjahr 2009) in Abstimmung und Überarbeitung mit den einzelnen Mitgliedern der EMVA.

 

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