Digitale Bildverarbeitung OPTONET Mastertour bei Allied Vision Technologies

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1 Digitale Bildverarbeitung OPTONET Mastertour bei Allied Vision Technologies Technische Universität Ilmenau Fachgebiet Qualitätssicherung Dr.-Ing. Maik Rosenberger 1

2 Inhalt 1 Grundbegriffe der Bildverarbeitung 2 Anwendungen der Bildverarbeitung 3 Bildsensoren und Bildaufnahme 4 Beleuchtungstechnik 5 Digitale Bildsignalverarbeitung 6 Messtechnik & Bildverarbeitung 2

3 1. Grundlagen - Teilgebiete der Bildverarbeitung Die Bildverarbeitung ist eine Querschnittswissenschaft. Die wichtigsten Disziplinen, die unmittelbar mit der industriellen Bildverarbeitung in Beziehung stehen sind: Optik Optische Abbildung, Optische Vorverarbeitung Halbleiterphysik Lichtwandlung (Bildsensoren), Sensorintegration Schaltungstechnik Hardware Bildaufnahme und Bildvorverarbeitung Hardware zur Bild- und Signalverarbeitung Informatik Software zur Bildauswertung Messtechnik klassische Messverfahren, Kalibrierung berührungsloser Messeinrichtungen Biologie Vorbild des menschlichen Auges, Bilderkennung im Gehirn 3

4 1. Grundlagen - Bereiche der Bildverarbeitung Teilgebiete des industriellen Einsatzes der Bildverarbeitung Automatisierung visueller Prüfvorgänge (ERKENNUNG) Berührungslose dimensionelle Messtechnik (MESSUNG) 4

5 2. Berührungslose Messtechnik Taktiles Optisches Korrdinatenmessgerät Zeiss Spectrum 700, Videooptischer Sensor ViScan 5

6 2. Berührungslose Messtechnik Optisch-taktiles Koordinatenmessgerät Mahr UNI-VIS 250 6

7 2. Technische Erkennung Personenidentifikation Besatzanalyse von Getreide 7 Fahrspurerkennung

8 3. Bildverarbeitung Ablauf Speicherung / Visualisierung Optische Abbildung Bildwandlung Vorverarbeitung Verarbeitung i.o. / n.i.o Analoge Bilddaten Digitale Bilddaten Informationsreduktion 8

9 3. Grundlagen der Bildwandlung Innerer photoelektrischer Effekt: Generierung von Landungsträgern durch einfallende Photonen Kein Rückschluss auf die Wellenlänge des Photons möglich, dass den Effekt ausgelöst hat CCD - integrierend - empfindlich - rauscharm C-MOS - proportional - dynamisch - kostengünstig 9

10 3. Grundlagen der Bildwandlung Zeile (n x 1) Matrix (n x m) 10

11 3. Grundlagen der Bildwandlung Spektrales Verhalten von Bauelementen Relative Empfindlichkeit menschliches Auge CCD Wandler (Silizium) Wellenlänge [nm] 11

12 3. Grundlagen der Bildwandlung - Farbbildaufnahme Getrennte Aufnahme unterschiedlicher Spektralbereiche 12

13 3. Grundlagen der Bildwandlung Farbauszüge Bayer-Layout nach Interpolation Farbmatrix mit Mosaikfilter (Bayer-Layout) Farbauszug Rot Farbauszug Grün Farbauszug Blau Rot Rot interpoliert Grün Grün interpoliert Blau Blau interpoliert 13

14 4. Beleuchtungsprinzipien Beleuchtungsarten Einteilung der Beleuchtung nach Anordnung der Lichtquellen 14

15 4. Beleuchtungsprinzipien Hellfeld-Beleuchtung (direkt reflektierte und gestreute Strahlung tragen zum Bildergebnis bei) Kamera Beleuchtung Objekt 15

16 4. Beleuchtungsprinzipien Dunkelfeld - Beleuchtung (nur gestreute Strahlung trägt zum Bildergebnis bei) Kamera Beleuchtung Objekt 16

17 4. Beleuchtungsprinzipien Prinzip des koaxialen Auflichts Bildsensor Lichtquelle Halbdurchlässiger Spiegel Objektiv Prüfobjekt 17

18 5. Digitale Bildsignalverarbeitung - Bildvorverarbeitung Vergleich der Histogramme von zu hellen und zu dunklen Bildern Bild normal Bild zu hell Bild zu dunkel 18

19 5. Digitale Bildsignalverarbeitung - Bildvorverarbeitung Bildbeispiel zur Binärisierung Originalbild binäres Bild 19

20 5. Digitale Bildsignalverarbeitung - Bildvorverarbeitung Digitale Filter in der Bildverarbeitung Übersicht zu Filteroperationen Digitale Filter in der Bildverarbeitung Operationen im Ortsbereich Operationen im Ortsfrequenzbereich Adaptive Filter ortsinvariante Filter ortsabhängige Filter nichtlineare Filter mittels diskreter Fouriertransformation Optimalfilter optimale Suchfilter -Mittelwertfilter - Roberts-Gradient - Sobel-Filter -Laplace-Filter -ortsabhängiger Filterkern - Median-Filter -Tiefpaßfilter -Hochpaßfilter -differezierende Filter - basieren auf der Schätzungstheorie - z.b. Wienerfilter, Kalmanfilter -Gewichtsfunktion spricht auf das Eingangssignal optimal an - h(x,y) = f(-x,-y) 20

21 5. Digitale Bildsignalverarbeitung - Bildvorverarbeitung Laplace-Filter (mit Viererumgebung) Filterkern: HL Wirkung: Der Laplace Filter ist ein linearer Filter, der zur richtungsunabhängigen Hervorhebung der Kanten eingesetzt wird. gefiltertes Originalbild Bild 21

22 5. Digitale Bildsignalverarbeitung Software Funktionskomplexe Funktionskomplex Bildaufnahme Overlay Bildverbesserung Ablaufautomatisierung Livebild Marker Filter interaktiv lernen Einzelbild ROI Abarbeitung Bildfolge Bildverwaltung Bildzugriff Bildauswertung Laden Pixel / Bereiche Fokus Speichern lesen / schreiben Mustererkennung Segmentierung Kantenextraktion Koordinatenantastung Datenverwaltung Zugriff 22 Schnittstellen

23 6. Messtechnik und Kantenortskriterien Approximation des Kantenverlaufes Typischer Grauwertverlauf eines Dunkel-Hell-Übergangs mit errechneter Kantenfunktion und subpixelgenauer Kantenortbestimmung nach dem Schwellenwertverfahren 23

24 6. Messtechnik und Kantenortskriterien Subpixelgenaue Bestimmung des Kantenortes Übersicht Kantenortskriterien Strukturortsdefinitionen Ortskriterien Schwellwertkriterien Differentielle Kriterien Korrelationskriterien Integrale Kriterien 24

25 Fl 6. Kantenortskriterien - Beispiel Schwellwert Schwellenwertkriterien ER E R = E(Z ) k Z k 25

26 6. Kantenortskriterien - Kantenantastung Ø

27 Beispiele für Bildverarbeitungssysteme Online Federmessung

28 6.2 Beispiele für Bildverarbeitungssysteme Prüfung von Maß und Oberfläche von Rohren direkt an der Extrusionsmaschine 28

29 6.2 Beispiele für Bildverarbeitungssysteme 29 Als Defekt gilt eine Helligkeitsabweichung von der homogenen Oberfläche des Rohres. Einfacher Schwellwert nicht ausreichend Beurteilung über Toleranzband Zusätzlich Messung des Durchmessers

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