Eine Gemeinschaftsveranstaltung der Control und der Vision Academy Erfurt. Aussagekräftige Bilder Rohstoff für BV-Inspektion.

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1 Eine Gemeinschaftsveranstaltung der Control und der Vision Academy Erfurt. Aussagekräftige Bilder Rohstoff für BV-Inspektion Tipps & Tricks Dipl.-Ing. Ingmar Jahr Schulungsleiter Vision Academy Aussagekräftige Bilder Rohstoff für BV-Inspektion, Control

2 Die Vision Academy Industrie-Dienstleister für Bildverarbeitung / Machine Vision Teil der Firmengruppe des Komponentenherstellers Vision & Control Geschäftsfelder: SCHULUNG BERATUNG WISSEN Unterstützung / Begleitung von Unternehmen zum erfolgreichen Technologie-Einsatz Leitspruch: Verstehen Beraten Anwenden effektive und fachrichtungsübergreifende Vermittlung von Praxiswissen BV-Lösungen prüfen, erörtern, entwickeln, begleiten weltweiter Aktionsradius Zielgruppe: Maschinenbauer, Produzenten, Systemintegratoren Ziele: weniger Kosten selbständiges Verstehen / Beherrschen der Technologie mehr Zeit passgenaue Beratung / Wissen mehr Sicherheit zuverlässig arbeitende Maschinen mit Bildverarbeitung zukunftsfähige Unternehmen 3 3 Einige unserer Kunden 4 4 2

3 Motivation Bilder sind die Ausgangsdaten der Bildverarbeitung (BV)! Bildgewinnung = Schätze heben! Bildgewinnung ist verantwortlich für: Zuverlässigkeit / Sicherheit Genauigkeit Arbeitsersparnis Kostenersparnis der BV - Lösung Bildgewinnung ist ein komplexer Prozess entlang der Signalkette. Bildgewinnung braucht Wissen: Was ein BV-aussagekräftiges Bild? Was hier versäumt wird, läßt sich später nicht oder nur aufwändig kompensieren. 5 5 Und das erwartet Sie jetzt Erstaunliches aus der Welt der Filter 6 6 3

4 Öffnungsfehler, Astigmatismus, Koma, Bildfeldwölbung, Verzeichung machen Abbildung unscharf, kontrastarm, verzerrt, farbuntreu Objektive gleicher Brennweite / Öffnung i.a. verschieden korrigiert Abbildungsfehler in der Bildmitte am geringsten in Zonen konzentrischer Kreisen gleich groß empfohlene Blende 8 Abbildungsdaten gültig nur für angegebenen Bereich: Abbildungsmaßstab, Lichtzusammensetzung, Bildgröße. viele Objektive auf ß =1/ korrigiert. Angaben in Datenblätter häufig nutzlos. Korrektionsdiagramm für Verzeichnung 7 Abschätzung optischer Auflösung mit Siemensstern erste qualitative Einschätzung der optischen Auflösung Nutzung zum scharf einstellen Vergleich von Objektiven Prüfung Gleichmäßigkeit von Abbildungsfehlern (Zentralsymmetrie zur Bildmitte) Ort mit Moiré Grenzauflösung Achtung: Monitorauflösung geht mit ein! Bei Kenntnis der Theorie der Abbildungsfehler können einzelne Fehler abgelesen werden. Zu große Auszugsverlängerung mit 80 mm Zwischenringen. Folge: kontrastarmes, unscharfes Bild durch Abbildungsfehler. 8 4

5 Was MTF-Kurven verraten MTF: Beschreibung der Qualität von Optiken, Informationen verlustfrei (Kontrast) zu übertragen. DIN 58185: quantitative Angaben optische Auflösung von Objektiven fasst Abbildungsfehler zusammen (Verzeichnung unberücksichtigt) Übertragungsfunktion: Kontrast K Prüfobjekt Kontrast K Bild Wie viel Kontrast braucht BV? K`= 20 30% gelten als auswertbar! MTF-Testchart: USAF 1951 (MIL 150A) 9 MTF als Funktion des Bildortes - Objektivbewertung Parameter der MTF: Bildort (h / h max) Ortsfrequenz Abbildungsmaßstab ß` Blendenzahl k Beleuchtungswellenlänge λ Darstellung MTF über der Bildhöhe Quelle: Schneider Kreuznach 10 5

6 Antireflexbeschichtung verbessert Kontrast Luft-Glas-Übergang: Reflexionsverluste 1 Linse: 8 % Verlust 5 Linsen: 33 % Verlust Vermeidung: λ/2 - Schichten, CaF 2 (bläulich) Breitbandbeschichtungen > 30 Schichten bei Objektivauswahl beachten Reflexion / % ohne Beschichtung Mehrfachbeschichtung Einfachbeschichtung CaF 2 Wellenlänge / nm 11 Begrenzung optischer Auflösung durch Beugung Punkt nicht als Punkt abgebildet Beugung vernichtet Auflösung: kleinster Abstand Unterscheidung 2 Punkte: x = 1,22 * k * λ Extremfall guter Objektive: beugungsbegrenztes Objektiv Beugungsbedingte Auflösungsobergrenze Objektiv: Blende erzeugt Beugung offene Blende am Besten geringe Schärfentiefe Faustregel: Beugungs-Auflösungsobergrenze [Lp/mm] = 1500 / 2 * k 12 6

7 Begrenzung optischer Auflösung 1.) durch Abbildungsfehler (siehe MTF) 2.) durch Beugung / Blendeneinstellung (beugungsbegrenztes Objektiv) 3.) durch Fokussierung / Verkippung Bildaufnehmer 4.) Kleinere Pixel verlangen immer höhere Auflösungen von Objektiven Mythos Megapixelobjektiv technisch nicht definiert - Marketingausdruck Anzahl der Megapixel? 1? 10? 50? Was gilt als auswertbarer Kontrast und wie ist er über das Bildfeld verteilt? Wie viele Lp/mm braucht es, um auswertbare Bilder zu bekommen? 5% 10% 30% 13 Natürliche Vignettierung Helligkeitsabfall zum Bildrand, bei schräg einfallendem Licht bei Weitwinkelobjektiven z.t. extrem Entstehung an Blenden (Objektiv) und an Bildsensoren (Mikrolinsenarrays, HAD-Sensor) Kleinere effektive Eintrittpupille Reduzierte Lichtmenge durch HAD-Bildsensor Mikrolinsenarray auf Pixeln bei seitlichem Lichteinfall sorgt für weniger Licht 14 7

8 Natürliche Vignettierung Wirkung: Algorithmen arbeiten nicht überall im Gesichtsfeld gleich Unsicher, unzuverlässig, Kompensation: a) per Software: Shading-Korrektur b) Kompensation über Beleuchtung c) bildseitig telezentrisches Objektiv Bild oben: homogene weiße Fläche, homogen beleuchtet, Objektiv f=6mm (w~300) Bildmitte: Grauwert 230 Bildrand: Grauwert 140 Bild Mitte: komplementäres Beleuchtungsprofil Bild unten: Korrekturdarstellung 15 Künstliche Vignettierung Angabe max. Bildaufnehmergröße für Objektive kleinere Bildaufnehmer immer möglich freie Felder in Auswahltabellen Hinweis auf künstliche Vignettierung. Bildfeld von Bildsensoren 16 8

9 Verzeichnung Abbildungsmaßstab über Bildfeld nicht konstant Bildgröße abhängig vom Bildort: Objekt und Bild mathematisch nicht ähnlich! Verzeichnung von 1 0 / 00 am Monitor nachweisbar (Haarlineal). Kalibrierung nur an einem Ort im Bild Verzeichnung bleibt berücksichtigt 17 Verzeichnung Auswirkungen auf die Abbildung Auswirkung Verzeichnung auf alle metrischen Größen: Abstand, Fläche, Kontur, Geradheit, Rundheit Einfluss abhänig von Größe / Position der Prüfobjekte: a) gleiche Position / gleiche Größe: geringer Einfluss b) verschiedene Position / gleiche Größe: großer Einfluss c) verschiedene Position / verschiedene Größe: stärkster Einfluss 30 x 30 Pixel 20 x 20 Pixel 20 x 20 Pixel 25 x 25 Pixel Fall a) Fall b) und c) (bei kissenförmiger Verzeichnung) 18 9

10 Stativgrundplatte aufgenommen mit starker Tonnenverzeichnung Punktraster liegt auf der Grundplatte Berechnetes entzerrtes Bild Verzeichnungskorrektur per Software Pixelauflösung im Bild nicht mehr konstant Entzerrungsbereich u.u. unschärfer erweitert Möglichkeiten für nicht-maßliches Prüfen Möglichkeiten für maßliches Prüfen (Messen) bleiben beschränkt ermöglicht Entzerrung durch geometrische Form Vision Academy Aussagekräftige Bilder Rohstoff für BV-Inspektion, Control Erstaunliches aus der Welt der Filter Schlecht zu messen das Auflagenmaß = optischer Abstand von Si-Oberfläche Bildaufnehmer bis Gewindeanlagefläche Objektiv (Filterglas eingerechnet) kleine Abweichung - große Wirkung Auflagenmaß zu klein Ausgleich durch Entfernungseinstellung Auflagenmaß zu groß kann nicht scharf abgebildet werden Lichtfilter ändern Arbeitsabstände a) vor Objektiv: Vergrößerung Glasdicke / 3 b) zwischen Sensor u. Objektiv: Vergrößerung Glasdicke / 3 * ß 2 Schräg eingefügte Filter, Gehäusescheiben vor Objektiv erzeugen: künstlichen Astigmatismus parallelen Strahlversatz Vision Academy Aussagekräftige Bilder Rohstoff für BV-Inspektion, Control

11 Erstaunliches aus der Welt der Filter Das sogenannte Tageslichtsperrfilter Langpassfilter sperren UV / VIS gewisse Fremdlichtunabhängigkeit Nutzung in Kombination mit IR-Beleuchtung IR-Licht anderer Quellen kann passieren! (Sonne) wichtig: IR-Sperrfilter in der Kamera entfernen! Verwendung: s/w IR-Applikationen Unterdrückung Fremdlicht Transmissio n Wellenlänge / nm 21 Erstaunliches aus der Welt der Filter Filterkombinationen simulieren preisgünstigen Bandpassfilter Beispiel für Tageslichtsunterdrückung: Kombination IR-Sperrfilter + Rotfilter Beleuchtung mit 660 nm ist ideal IR-Sperrfilter Farbglasfilter, rot Transmissio n Filterkombination Wellenlänge / nm 22 11

12 Erstaunliches aus der Welt der Filter Lineare Polarisation ausnutzen Auflicht unterschiedliche Drehung Schwingungsrichtung bei verschiedenen Materialien / Materialzuständen Reflexunterdrückung unter jedem Winkel (Probieren!) Beispiele: durch transparente, reflektierende Verpackungen sehen Kratzer auf Oberflächen unterdrücken Metalle kontrastreich und reflexionsfrei beleuchten verschiedene Materialien trennen 23 Erstaunliches aus der Welt der Filter Lineare Polarisation ausnutzen Durchlicht Lichtdurchgang ändert z.t. Schwingungsrichtung Spannungen im Material (Spannungsoptik) Beispiele: verschiedene Materialien trennen Unterdrückung von Ölfilm auf Teilen Spannungen sichtbar machen (rechts: Glas-Tassenhenkel / Plexiglasringschlüssel) 24 12

13 Fazit und Ausblick Es gibt jede Menge Fallstricke im Bereich Optik & Beleuchtung. Auseinandersetzung mit dem Thema Bildgewinnung hilft Schätze heben. Was sind 1000 EUR Investition eine richtige Optik / Beleuchtung gegen 4 Wochen vergebliche Softwareentwicklung? Es lohnt sich, die Hintergründe zu kennen und zu lernen! Schulung Beratung - Wissen Schulung Beratung verschiedene Anwendergruppen Basics, Themen, Experten, Branchen, Inhouse Aufbau von BV-Abteilungen weltweit Applikationslabor Anwendungsberatung Machbarkeitsuntersuchungen Lösungsworkshops Komponentenauswahl / -optimierung Inbetriebnahme- / Projektbegleitung

14 Schulung Beratung - Wissen Wissen Systematisierung, Vermittlung, Didaktik Verstehen - Begreifen Anwenden Transfer Termine und mehr: Knacken Sie mit uns harte Nüsse! Wir freuen uns auf Ihre Herausforderungen