2. Technische Bildverarbeitung 2.1 Begriffsdefinition 2.2 Übersicht 2.3 Beleuchtungssysteme

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1 2. Technische Bildverarbeitung 2.1 Begriffsdefinition 2.2 Übersicht 2.3 Beleuchtungssysteme Dieses Skript ist eine Ergänzung zu der Vorlesung Technische Bildverarbeitung. Es ist kein Lehrbuch. Dieses Skript darf ausschließlich als begleitendes Lehrmittel für die Vorlesung genutzt werden. Andere Nutzungen sind mit den Verfassern abzuklären. Vervielfältigung, Übersetzungen, Mikroverfilmung und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen (auch auszugsweise) ist nur nach Rücksprache und mit Erlaubnis der Verfasser zulässig. In diesem Skript werden Produkte einzelner Firmen als Beispiel verwendet. Die Auswahl dieser Produkte stellt keine Bewertung dar, sondern erfolgte ausschließlich nach didaktischen Gesichtspunkten. Die angegebenen Preise sind als Orientierungshinweis zu sehen. Bei Fragen, Kritik, Verbesserungsvorschlägen : Dipl.-Ing. Dirk Mohr Raum C2 05 Tel.: dirk.mohr@hs-bochum.de Bochum, den Kapitel 2 Seite 14

2 2. Technische Bildverarbeitung 2.1 Begriffsdefinition Inhalt dieser Lehrveranstaltung ist die Technische Bildverarbeitung wie sie vom VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v.) definiert ist : Technische (Industrielle) Bildverarbeitung ist die Technologie des künstlichen Sehens. Kamera und Computer verleihen Maschinen die Fähigkeit, zu sehen, zu erkennen und die richtigen Entscheidungen zu treffen. Die von der Kamera aufgenommenen Daten werden von einem Rechner ausgewertet, die relevanten Informationen und die Ergebnisse an die Steuerung weitergegeben, die entsprechend reagieren kann. Typische Aufgabenstellungen der Technischen Bildverarbeitung sind - Oberflächenkontrolle z.b. Untersuchung von Blechen auf Kratzer und Beschichtungsfehler - Vollständigkeitskontrolle z.b. Vorhandensein von Bauteilen auf elektronischen Platinen (komplette Bestückung) - Messtechnik z.b. Ermittlung der Durchmesser und der Fasenwinkel bei Edelstahlrohren - Identifikation z.b. Unterscheidung von Werkstückvarianten zur Prozesslenkung - Positionserkennung (Robot Vision) z.b. Identifikation und Lageerkennung von Schrauben in einem ungeordneten Schraubenvorrat zur montagegerechten Roboterlenkung Kapitel 2 Seite 15

3 2.2 Übersicht Ein Technisches Bildverarbeitungssystem besteht in der Regel aus folgenden Komponenten: Kapitel 2 Seite 16

4 2.3 Beleuchtungssysteme Übersicht Kapitel 2.3 Seite 17

5 2.3 Beleuchtungssysteme Technologie Glühlampen, Glühfadenlampe, Glühbirne -Elektrischer Leiter wird durch elektrischen Strom aufgeheizt und emittiert, dadurch thermische Strahlung mit Komponenten im sichtbaren Bereich - Günstiger Einkaufspreis, hohe Verfügbarkeit aber entscheidende Nachteile für die TBV : - schlechter Wirkungsgrad (<10%, max. 15 lm*/w) - große Wärmeentwicklung - keine großen Formvarianten - abgegebenes Licht hat keine Zeitkonstanz bzgl. Helligkeit und Wellenlänge - kaum triggerbar - erschütterungsempfindlich - relativ kurze Lebensdauer (max. 1000h) * Lichtstrom Lumen lm : Gesamte von einer Strahlungsquelle ausgesandte sichtbare Strahlung Abb Glühlampe 230 V, 60 W, 720 lm, E27-Sockel Halogenlampe Kapitel 2.3 Seite 18

6 Halogenlampe - Aufbau und Funktion ähnlich Glühlampe. Zusatz der Halogene Brom oder Jod steigert die Lebensdauer und verbessert den Wirkungsgrad - Günstiger Einkaufspreis, hohe Verfügbarkeit aber entscheidende Nachteile für die TBV : - schlechter Wirkungsgrad (< 16%, max. 25 lm/w) - große Wärmeentwicklung - keine großen Formvarianten - abgegebenes Licht hat keine Zeitkonstanz bzgl. Helligkeit und Wellenlänge - kaum triggerbar - erschütterungsempfindlich - Lebensdauer max. 4000h Abb Halogen - Glühlampe Kapitel 2.3 Seite 19

7 Leuchtstofflampe, Leuchtstoffröhre - Niederdruck Gasentladungslampe, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist. Beim Anlegen einer Zündspannung wird die Gasfüllung ionisiert und somit leitfähig, es entsteht ein Plasma. Das Plasma emittiert überwiegend UV Strahlung. Der Leuchtstoff leuchtet bei UV Bestrahlung im sichtbaren Bereich. Eigenschaften : - Günstiger Einkaufspreis, hohe Verfügbarkeit (eingeschränkt) - Wirkungsgrad (bis 100 lm / W), Leistung von Baulänge abhängig - geringe Wärmeentwicklung - in verschiedenen Formen erhältlich - abgegebenes Licht hat keine Zeitkonstanz bzgl. Helligkeit und Wellenlänge - nicht triggerbar - Lebensdauer deutlich höher als bei Glühlampen max h (stark abhängig von Umgebungstemp.) - Vorschaltgerät erforderlich - mit Elektronischem Vorschaltgerät (EVG) kaum Lichtschwankungen bei Zündfrequenz von 40 KHz Abb Leuchtstoffröhren, Stab- und Ringform Abb Runde Leuchtstoffröhren mit Fassung zur direkten Objektivmontage Kapitel 2.3 Seite 20

8 LED (Light Emitting Diode), Leuchtdiode, Lumineszenz-Diode - Halbleiter-Bauelement, das bei Stromdurchfluss Licht in einem zum Teil eng begrenzten Spektralbereich abstrahlt. Eigenschaften : - kein Temperaturstrahler, sehr hoher Wirkungsgrad (max. 100 lm / W ) - geringe Wärmeentwicklung (bezogen auf die Lichtleistung) - sehr schmalbandiger Spektralbereich - Spektralbereich des emittierten Lichts lässt sich durch Herstellungsprozess bestimmen z. B. rot, infrarot, grün, Mischfarbe weiß - schmalbandiges Licht erlaubt effektiven Einsatz von optischen Komponenten wie z.b. Filter - sehr gut triggerbar (Modulationsfrequenz bis zu 100 MHz) - bei geeigneten Impulspausenzeiten und Maßnahmen zur Ableitung der Verlustwärme lassen sich LED s mit einem mehrfachen des Nominalstroms betreiben (Blitzbetrieb) - unempfindlich gegen Erschütterung - Lebensdauer sehr hoch max h - lässt sich in fast beliebiger Bauform kombinieren / anordnen - keine Baumarktware, meist anbieterspezifisch Abb Spektren von LED s Quelle : Kapitel 2.3 Seite 21

9 Bauform 4TE IR Aktive Fläche 224 * 25mm mm bei max. 10% Inhomogenität Farbe IR 880 nm 16 LED s Preis ca. 340 EUR <- Abb Verschiedene Bauformen von LED - Beleuchtungssystemen Quelle : Büchner Lichtsysteme GmbH Kapitel 2.3 Seite 22

10 Abb Modulares Beleuchtungssystem mit segmentweiser Beschaltung Quelle : Büchner Lichtsysteme GmbH Abb Beleuchtungssystem mit LED Tunnelkonzept für homogene Ausleuchtung von z.b. Rohren und Bolzen Quelle : Büchner Lichtsysteme GmbH Kapitel 2.3 Seite 23

11 Laserdioden Verwandt mit LEDs mit folgenden zusätzlichen Eigenschaften: - Licht mit sehr schmalbandigem Spektrum (monochromatisch) - Licht kohärent. Kohärente Lichtwellen schwingen alle in die gleiche Richtung, mit gleicher Frequenz und mit gleicher Phase. Dies ergibt einen sehr intensiven Strahl mit sehr reinem Licht - Licht polarisiert (schwingt nur in einer Richtung), dadurch lassen sich störende Reflexionen leicht ausfiltern - Punktstrahler mit Kollimator, sehr hohe Strahlbündelung - sehr hohe max. Einspeiseleistung, dadurch bei sehr gutem Wirkungsgrad sehr hohe Lichtleistung - monochromes Licht erlaubt sehr effektiven Einsatz von optischen Komponenten wie z.b. Filter - sehr gut triggerbar (Modulationsfrequenz bis zu >10 GHz) - Lebensdauer sehr hoch max h - keine Baumarktware, anbieterspezifisch Abb Gegenüberstellung des Spektralbereichs einer LED und einer Laserdiode gleicher Nennwellenlänge Kapitel 2.3 Seite 24

12 Eine typische Anwendung von Laserdioden ist die sog. Lasertriangulation. Dabei projiziert ein Laser unter einem bekannten Winkel eine Linie auf ein Objekt, dessen Oberfläche vermessen werden soll. Eine CCD- oder CMOS-Kamera registriert das Streulicht. Kennt man die Strahlrichtung und den Abstand zwischen Kamera und Laser, kann damit der Abstand Objektoberfläche zu Kamera bestimmt werden. Die Verbindung Kamera-Laser sowie die beiden Strahlen vom und zum Objekt bilden ein Dreieck, daher der Begriff Triangulation. Zur flächigen Vermessung wird das Verfahren Codierter Lichtansatz bzw. Lichtschnittverfahren angewendet. Dabei wird eine große Anzahl von Linien als engmaschiges Netzmuster auf ein Objekt projiziert und von einer Kamera aufgenommen. Über eine spezielle Software lässt sich das Abbild auswerten und sehr genau Höhenunterschiede detektieren. Abb Lasertriangulation zur Vermesssung von Werkstücken Kapitel 2.3 Seite 25

13 Abb D - Bodyscanner Kapitel 2.3 Seite 26

14 Abb Entwicklung von Größentabellen Kapitel 2.3 Seite 27

15 Dreidimensionale Erfassung von Objekten durch projizierte Farbmuster Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten, bei dem - auf das zu erfassende Objekt ein Farbmuster mit bekannten Projektionsdaten projiziert wird, - das auf das Objekt projizierte Farbmuster mit einer Kamera erfasst wird, und - das von der Kamera erzeugte Abbild in einer Auswerteeinheit zu dreidimensionalen Objektkoordinaten des Objekts verarbeitet wird (Projektionsdaten sind im Farbmuster mit Hilfe eines redundanten Codes codiert). Quelle und Patent : Siemens AG (DE) Kapitel 2.3 Seite 28

16 2.3.2 Anordnung von Beleuchtung und Kamerasystem in Bezug auf das zu betrachtende Objekt Je nach Aufgabenstellung ist es nötig, eine geeignete Anordnung der verwendeten Komponenten Lichtquelle und Kamerasystem zu finden. Bei der Erstellung einer Lösung in der Technischen Bildverarbeitung ist oftmals die Anordnung der Komponenten entscheidender als die Komponenten selbst. Im Folgenden werden Varianten aufgezeigt und mit Aufnahmen dokumentiert. Die hierbei verwendeten Komponenten sind : Abb Kamerasystem DVT Legend 520 mit integrierter ringförmiger roter LED - Beleuchtung Abb LED Beleuchtung mit blauen LED s Büchner Lichtsysteme TopLight L Abb EUR Stück und Alublech mit Folie beklebt Kapitel 2.3 Seite 29

17 Durchlicht Das zu betrachtende Objekt befindet sich zwischen Lichtquelle und Kamera. Das Licht wird im Bereich des Objekts unterbrochen. Es wird ein Schatten (Kontur) abgebildet. Sehr gut bei Vermessungsaufgaben, da eindeutige Trennung von Objekt und Hintergrund. Die Oberfläche wird nicht abgebildet Abb Durchlicht - Anordnung Abb Durchlicht Abbild Schatten, Kontur Kapitel 2.3 Seite 30

18 Auflicht Lichtquelle und Kamera befinden sich in Bezug auf das zu betrachtende Objekt auf der gleichen Seite. Das Licht wird von der Oberfläche des Objekts und des Hintergrunds reflektiert. Es wird ein Abbild des Objektes in verschiedenen Grautönen erzeugt. Die Oberfläche ist zu erkennen, die Kontur wird nicht so klar dargestellt. Anwendung bei z. B. Oberflächeninspektionen. Abb Auflicht Anordnung mit Ringbeleuchtung Abb Auflicht Abbild, Oberfläche, Struktur zu erkennen Kapitel 2.3 Seite 31

19 Gerichtetes Licht (Hell- und Dunkelfeld). Die Lichtquelle strahlt das Licht in einer Vorzugsrichtung ab. Das Objekt wird aus einer Vorzugsrichtung beleuchtet. Durch die Oberflächenstruktur (Erhöhung bzw. Vertiefung) des Objekts bilden sich Schatten bzw. hellere Bereiche, die bestimmte Merkmale deutlich hervortreten lassen. Verstärkung dieses Zusammenhangs durch Anwendung von Hell- bzw. Dunkelfeldanordnungen. Hellfeld Das Kamerasystem befindet sich im Strahlengang (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) des reflektierten Lichts Abb Auflicht Hellfeld Anordnung mit LED Leuchte Abb wurde unter kleinerem Winkel aufgenommen, deshalb kleine Elipse Abb Auflicht Hellfeld Abbild Oberfläche, Strukturelemente betont Kapitel 2.3 Seite 32

20 Dunkelfeld Das Kamerasystem befindet sich nicht im Strahlengang (Einfallswinkel!= Ausfallswinkel) des reflektierten Lichts. Abb Auflicht Dunkelfeld Abbild Strukturelemente kaum sichtbar Abb Auflicht Dunkelfeld Anordnung mit LED - Leuchte Kapitel 2.3 Seite 33

21 Diffuses Licht. Das Objekt wird aus allen Richtungen (möglichst) gleichmäßig beleuchtet. Es treten kaum Schatten auf. Es entsteht ein Abbild, dessen Graustufen durch Oberflächeneigenschaften und nicht durch Höhenunterschiede verursacht werden. Als Beleuchtungsquelle z.b. Raumlicht (schwer,oftmals unmöglich, gleichmäßig auszuleuchten) oder spezielle Beleuchtungssysteme z.b. Abb Leuchttunnel. Abb Auflicht Diffus Abbild Deutliche Reflexionsunterscheidung Abb Auflicht Diffus Anordnung mit Raumlicht Kapitel 2.3 Seite 34

22 Weitere Beispiele Abb Alu Blech mit integriertem Ringlicht beleuchtet. Einzelne LED s werden gespiegelt. Abhilfe durch Diffusorscheibe vor LED s Kapitel 2.3 Seite 35

23 Abb Alu Blech mit blauer LED - Leuchte beleuchtet (Dunkelfeld). Beide Bilder wurden unter genau gleichen Bedingungen (Belichtungszeit, Anordnung...) aufgenommen. Das Blech wurde lediglich um 90 0 Grad gedreht. Da das Blech vom Walzen eine (mit dem menschlichen Auge kaum wahrnehmbare) Struktur hat, wird das Licht unterschiedlich reflektiert. Dass die Parameter nicht verändert wurden, ist auch an dem Barcode zu sehen, der in fast gleicher Intensität dargestellt wird. Kapitel 2.3 Seite 36

24 Weitere Informationen finden Sie hier : Kapitel 2.3 Seite 37