• Kamera

    Kamera

    Das Auge des Inspektionssystems

Kalibration Zeilenkamera

Ziel der Kalibrierung ist es, ein absolut homogenes Graubild zu erzeugen. Abweichungen von einem idealen Bild ergeben sich aus vielen Gründen:

  • Mechanische Position von Kamera zu Bauteil
  • Mechanische Ausrichtung der Beleuchtung
  • Sensor-bedingte Störungen
  • Beleuchtungs-Abweichungen entlang der Linie
  • Spektrale Eigenschaften des Lichts und des Sensors
  • Verzerrungseffekte und Vignettierung der Optik
  • Störeinflüsse des Umgebungslichts

Typisch ist für diese Störungen, dass das Bild Streifen, Inhomogenitäten oder einen Lichtabfall am Rand erzeugen, die eine Auswertung mit der BV-Software stark beeinträchtigen können. Falsche mechanische Positionen und optische Verzerrungen verzerren das Bild zusätzlich.

Zur Ermittlung dieser Störungen und Abweichungen hilft ein Kalibrationschart, das viele Funktionen gleichzeitig erfüllt. Weitere Details zur (Re)-kalibration:

Kalibrationschart Kamera

Bevor also angefangen wird, eine Software-Applikation zu entwickeln, muss das Ausgangsbild PERFEKT gemacht werden.

 

Erzeugen eines unverzerrten Bildes

Mit Hilfe der Encoder-Einstellungen und der entsprechenden Multiplikator/ Dividor-Einstellungen am Zeilentrigger-Eingang der Kamera muss als erstes ein unverzerrtes Bild erzeugt werden.

Multiplikator-Einstellungen Zeilenkamera

Bitte verlassen Sie sich nicht auf Ihr Auge, sondern messen zum Beispiel anhand eines Kalibrations-Gitters die Form von Kreisen oder Quadraten in X- und Y-Richtung aus. Nur so können Sie exakt sicherstellen, dass Sie unverzerrte Bilder aufnehmen, die qualitativ taugen.

 

Vertikale Streifen und Lichtverlaufs-Effekte der Beleuchtung

Stellen Sie auf jeden Fall im ersten Schritt sicher, dass die Beleuchtung exakt den erfassten Bildbereich abdeckt. Tipps zur Ausrichtung der Beleuchtung finden Sie hier.

Stimmt der Bildaufbau in X- und Y-Richtung und in etwa die Bildhelligkeit, kommt nun das Finetuning. Auch in unserem obigen Bild sind noch größere Helligkeitsschwankungen in X-Richtung zu erkennen.

Zur Kompensierung dieser Inhomogenitäten liefert jeder renommierte Zeilenkamerahersteller ein fertiges Softwareinterface zur Kalibration der Kamera mit.

Die vorgenommenen Kalibrierungen laufen in zwei oder drei Schritten ab:

  • Dunkelbildkalibrierung: Dazu wird kurz der Deckel auf die Optik gesetzt - fertig. Dabei werden unterschiedliche Dunkelströme der einzelnen Pixel ermittelt und kalibriert. Jedes unbelichtete Pixel sollte nach erfolgter Kalibrierung also denselben Schwarzwert liefern.
  • Besonders CMOS-Sensoren zeigen im  flächigen Graubild eine Grid-förmige Helligkeitsverteilung, die wie ein Druckraster über dem eigentlichen Bild aussieht. Bei Zeilenkameras ist dies entlang der Zeile zu beobachten und führt zu Bildstreifen. Auch dieses kann herauskalibriert werden. (Dreck auf dem Sensor kann natürlich zu den gleichen Streifen führen).
  • Die Hellbildkalibrierung dient zur Korrektur von Lichtverläufen der Beleuchtung und zur Korrektur der unterschiedlichen Foto-Empfindlichkeit der Pixel: Dazu bitte die Bildhelligkeit auf einen Wert von 50-75% auf homogener Referenzfläche (Papier) einstellen, dazu die Optik defokussieren, anschließend kalibrieren.

(Die Kalibrierschritte werden im Englischen als PRNU, FPU, DNU bezeichnet: Dark Signal Non Uniformity, Fixed Pattern Noise, Photo Response Non Uniformity).

Dunkel- und Hellbildkalibration der Zeilenkamera

Alle vertikalen Bildstreifen sollten jetzt verschwunden sein und das Bild homogen wirken. Anschließend evtl. mit Belichtungszeit der Kamera, dem Gain und der Blende des Objektivs letzte Feinanpassungen vornehmen und die Optik wieder fokussieren.

Hellbild- und Dunkelbildkalibrierung

Mit Hilfe dieses Kalibrierprozesses konnten sowohl Sensor-bedingte Produktionsunterschiede, sowie der Helligkeitsabfall am Rand einer Linienbeleuchtung (Shading-Korrektur) kompensiert werden.

 

Horizontale Streifen

Recht selten treten auch horizontale Streifen auf. Diese können mehrere Ursachen haben:

  • Übertriggerung der Kamera durch zu schnelle Encoder-Signale (Details siehe Encoder)
  • Schwankende Helligkeit durch Einflüsse der Deckenbeleuchtung (50 Hz-Flackern). Lösung bietet hier eine stärkere Zeilenbeleuchtung oder die Unterdrückung der Fremdlicht-Einflüsse durch Abschirmung etc.
  • Flackern durch unstabilisierte, schlecht gefilterte oder unterdimensionierte Netzteile der Beleuchtung. Lösung bietet hier nur bessere Hardware.
50Hz-Störungen im Zeilenkamera-Bild

 

Kalibration einer Farbzeilenkamera

Bei jeder Farbkamera, auch Zeilenkameras, muss ein Weißabgleich vorgenommen werden, um neutrale Farben zu erhalten. Bedingt durch die Farbtemperatur des jeweils eingesetzten weißen Lichts (Spektren Halogen-Lampe, LED, Fluoreszenz-Lampe) ist anschließend die Verteilung der Rot-, Grün- und Blau-Intensitäten im Kamerabild nicht homogen. Die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit des Sensors für unterschiedliche Wellenlängen verstärkt diesen Effekt noch zusätzlich.

Kalibration Farbzeilenkamera

Das hier gezeigte Bild- und Wegstrecken-Intensitätsdiagramm einer Farbzeilenkamera weist zwei typische Fehler auf, die kalibriert werden müssen:

  • Lichtabfall zum rechten und linken Bildrand hin. Dies kann mit Hilfe der Hellbild-Kalibrierung wie bei einer Monochromkamera kompensiert werden.
  • Das Bild ist nicht neutralgrau, sondern zeigt einen Blau- & Grünstich (Cyan). Die Verstärkung der RBG-Kanäle muss so gewählt werden, dass die drei Helligkeitskurven im obigen Diagramm deckungsgleich sind. Bei Dreichip-Farbkameras kann dies teilweise auch durch unterschiedlich lange Belichtungszeiten pro Sensor eingestellt werden.
  • Auch hier bitte zur Kalibration die Bildhelligkeit auf einen Wert von 50-75% auf homogener weißer Referenzfläche einstellen, dazu die Optik defokussieren, anschließend kalibrieren und wieder fokussieren.

 

Partner & Netzwerk

European Imaging Academy
Machine Vision
inVision
SpectroNet
Inspect