Vorteile von Farbkameras und Bildaufbereitung

Auswirkungen einer Farbkamera

Prüfen eines goldenen Etiketts auf einer Verschlusskappe

1. Tatsächliches Bild
2. Bild bei einer Verarbeitung mittels Monochromkamera
   Eine Monochromkamera ist nicht in der Lage, die gesamte Form des Etiketts zu extrahieren.
3. Bild bei einer Verarbeitung mittels Farbkamera
   Eine Farbkamera ist sehr wohl in der Lage, die gesamte Form des Etiketts zu extrahieren.

Wie aus der Abbildung oben zu ersehen ist eine Monochromkamera im Gegensatz zum menschlichen Auge bei einem Objekt mit einer glänzenden und gewölbten Oberfläche nicht in der Lage, das Bild richtig zu verarbeiten. Das liegt an der ungleichmäßigen Helligkeitsverteilung (siehe Abbildung).

Mit einer Farbkamera ist es dagegen möglich, gezielt die goldene Farbe des Etiketts zu extrahieren, wie auf der Abbildung ganz rechts gezeigt. Das liegt daran, dass die Bildverarbeitung bei einer Farbkamera aufgrund der Farbstufendaten (Farbunterschiede) erfolgt, wohingegen eine Monochromkamera sich allein auf die Intensitätsdaten (Helligkeit) stützt.

Wie ist eine Farbkamera aufgebaut?

In einem Bildverarbeitungssystem wird normalerweise eine Kamera mit einem einzigen Mikrochip für die Bilderfassung (einem CCD-Element) verwendet. Da beim Erfassen von Farbbildern allerdings Daten zu allen drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (R, G und B) benötigt werden, ist vor jedem einzelnen Pixel des CCD ein Farbfilter in R, G oder B angebracht. Jedes Pixel sendet an das Steuergerät Intensitätsdaten in 256-facher Abstufung für R, G oder B.

Farbsystem

Ein Farbsystem (auch als Farbraum bezeichnet) ermöglicht die zahlenmäßige Beschreibung von Farben. Im Allgemeinen verwendet man dazu ein dreidimensionales Koordinationensystem.Das HSB-Farbsystem (Hue, Saturation, Brightness - dt. Farbton/Farbstufe, Sättigung, Helligkeit) kommt der menschlichen Wahrnehmung am nächsten und eignet sich am besten für die Bildverarbeitung.

Bildoptimierung durch Einstellung der Kameraverstärkung

Die Einstellung der Kameraverstärkung bietet ein wirksames Verfahren zur Farbunterscheidung. Durch die gezielte Einstellung der Verstärkung für die einzelnen Farbkomponenten R, G oder B kann ein deutlicherer Kontrast zwischen nah beieinander liegenden Farbtönen der gleichen Farbe erzielt werden.

Beispiel für die Einstellung der Kameraverstärkung

Unterscheidung der Farbe von Verschlusskappen

Tatsächliches Bild

Bild nach der Einstellung der Verstärkung für die R-Daten (Rot)

Rot wird sehr deutlich dargestellt, um eine stabile Unterscheidung zu ermöglichen.

Binäre Farbbildverarbeitung

Eine Farbkamera liefert Farbbilddaten in 16.777.216 Stufen (jeweils 256 Stufen von R, G und B). Das ist eine um den Faktor 80.000 höhere Informationsdichte als bei einer Monochromkamera (die lediglich 256 Graustufen liefert). Binäre Farbbildverarbeitung ist eine Funktion, bei der nur ein bestimmter Bereich aus diesen 16,7 Millionen Stufen verarbeitet wird.

Beispiel 1 für eine binäre Farbbildverarbeitung

Erkennung von gebrochenen, grünfarbigen Kabeln bei einer Spulenwicklung

Aus dem Bild der Spulenwicklung wird ausschließlich der grüne Anteil extrahiert und in ein farbspezifisches Binärbild umgewandelt.

Nur Grün wird extrahiert.Etwaige gebrochene Kabel können jetzt zuverlässig erkannt werden.

Farbstufenverarbeitung

Mittlerweile verlangen die Kunden für die Verwendung an Hochgeschwindigkeits-Fertigungslinien, Bildverarbeitungssysteme mit einer Verarbeitungszeit von 1/100 Sekunde. Farbstufenverarbeitung ist ein Vorverarbeitungsverfahren, das entwickelt wurde um die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit den extrem langen Verarbeitungszeiten von Farbkameras zu lösen sowie Störeinflüsse aufgrund eines Überangebotes an Informationen und ungleichmäßiger Beleuchtung auszuschalten.

Farbstufenverarbeitung

Die Farbstufenverarbeitung ist ein Verfahren zur Umwandlung eines Farbbilds, mit enormen Datenmenge, in ein Schwarzweißbild mit 256 Graustufen. Dabei wird eine bestimmte Farbe als hellste Stufe (Weiß) festgelegt. Da die Bildverarbeitung nicht nur anhand der Helligkeit sondern auch anhand der Farbbilddaten erfolgt, können so auch bisher nahezu unlösbare Aufgaben, wie etwa die Unterscheidung zwischen Gold und Silber, mühelos bewältigt werden.

Beispiel für die Farbstufenverarbeitung

Blasse Farbmuster sind bei der herkömmlichen Graustufenverarbeitung oft kaum zu erkennen (wie auf der Abbildung links gezeigt). Bei der Farbstufenverarbeitung wird dagegen ein Schwarzweißbild erzeugt, das auf Farbbilddaten beruht. Das Ergebnis ist ein klares und stark graubehaftestes Bild vor einem schwarzen Hintergrund. Dieses Verfahren liefert stabile Ergebnisse bei der Prüfung unterschiedlicher Muster oder bei Positionsabweichungen.

Sonstige Vorverarbeitungsverfahren

Ein Bildverarbeitungssystem ist mit einer Vielzahl unterschiedlicher Vorverarbeitungsfunktionen ausgerüstet, um eine Bildoptimierung entsprechend der jeweiligen Anwendung zu ermöglichen. Diese Funktionen können sowohl für Schwarzweißbilder als auch für Farbbilder verwendet werden, wobei letztere zuvor durch binäre Farbbildverarbeitung oder Farbstufenverarbeitung in zweifarbige Bilder umgewandelt werden müssen.

Kontrastkonvertierung: Anpassung der Oberflächendarstellung zur leichteren Erkennung von Defekten

Beispiel

Prüfung von Oberflächenbeschädigungen eines Metallwerkstücks

Die Beeinträchtigung durch die feinen Schrupplinien auf der Oberfläche des Metallwerkstücks wird ausgeblendet, damit ausschließlich etwaige Beschädigungen hervortreten.

Expansion- und Shrink-Verarbeitung (vergrößern/verkleinern). Unnötige Vorsprünge werden aus der Abbildung entfernt und anschließend wird der ursprüngliche Umriss des Messobjekts wieder hergestellt.

Beispiel

Prüfung von Oberflächenbeschädigungen Gummiabdichtung ohne Beeinträchtigung durch Formgrate

Differentialverarbeitung in Echtzeit: Das erfasste Bild wird mit einem gespeicherten Bild verglichen, um ausschließlich die Unterschiede zu extrahieren.

* Es wird ausschließlich der Defekt extrahiert, während die komplexe Form des Messobjekts ignoriert wird.

Beispiel

Prüfung auf Fremdkörper in einem Steckergehäuse

Bei der Mehrfachfilterung werden mehrere Vorverarbeitungsverfahren kombiniert, um ein optimales Bild zu erzeugen.