Industrielle Bildverarbeitung

Transkript

1 Christian Demant Bernd Streicher-Abel Peter Waszkewitz Industrielle Bildverarbeitung Wie optische Qualitätskontrolle wirklich funktioniert 2. Auflage Mit 239 Abbildungen und 29 Tabellen Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Warum noch ein Buch über Bildverarbeitung? Möglichkeiten und Grenzen Typen von Sichtprüfaufgaben Einteilung nach dem Prüfziel Aufbau von Bildverarbeitungssystemen Hardwareaufbau Signalfluß in der Prozeßumgebung Signalfluß innerhalb des Bildverarbeitungssystems Vorgehensmodell Einführungsbeispiel Schrifterkennung :2 Gewindetiefe Anwesenheitskontrolle Weiteres Vorgehen Querschnitt: Bildvorverarbeitung Grauwerttransformation Look-Up-Tabellen Lineare Grauwertskalierung Kontrastnormierung Histogrammebnung Lokale Kontrastnormierung Bildarithmetik Bildaddition und Bildmittelung Bildsubtraktion Minimum und Maximum zweier Bilder Shading-Korrektur Lineare Filter Lokale Operationen und Bildumgebungen Prinzip linearer Filter Glättungsfilter Kantenfilter Medianfilter 70

3 10 Inhaltsverzeichnis 2.5 Morphologische Filter Andere nichtlineare Filter Globale Operationen Zusammenfassung Lageerkennung Position eines Einzelobjekts Positionierung anhand des Gesamtobjektes Positionierung anhand einer Kante Ausrichtung eines einzelnen Objektes Orientierungsberechnung anhand der Hauptachse Polarabstandsprojektion Roboterpositionierung Aufgabenstellung Bildverarbeitungskomponenten Positionsermittlung an einem Objekt Orientierung einer Objektkonfiguration Bemerkungen zur Positionskorrektur Zusammenfassung Querschnitt: Segmentierung Arbeitsbereiche Arbeitsbereiche und Objekte Binärsegmentierung Schwellwerte Schwellwertbestimmung aus Histogrammanalysen Grauwerthistogramme Verallgemeinerung der Binarisierung Konturverfolgung Punktnachbarschaft Erzeugung von Objektkonturen Konturdarstellung Kantenorientierte Methoden Kantenantästung in industriellen Bildszenen Subpixelgenaue Kantenlokalisierung Template Matching Funktionsprinzip Optimierungsmöglichkeiten Bemerkungen zum Template-Matching Zusammenfassung 130

4 Inhaltsverzeichnis Kennzeichnungsidentifikation Barcode-Identifikation Prinzip der Barcodeerkennung auf Grauwertbasis Barcodetypen Beispiele für industrielle Barcode-Identifikation Zweidimensionale Codes Klarschrifterkennung Lasergravierte Schrift auf einem IC Basiskonfiguration der IC-Schrifterkennung Prinzipieller Aufbau einer Klassifikationsanwendung Positionskorrektur am IC Verbesserung der Zeichenqualität Optimierung im Betrieb Erkennung genagelter Schrift auf Metall Beleuchtung Vorverarbeitung Segmentierung und Klassifikation Blockcodierungen auf Filmrollen Druckqualitätskontrolle Vorgehensweise Druckqualitätskontrolle in Einzelbereichen Druckqualitätskontrolle mit automatischer Teilung Zusammenfassung Querschnitt: Klassifikation Was ist Klassifikation Klassifikation als Funktionsapproximation Grundbegriffe Statistische Grundlagen Konstruktion von Klassifikatoren Multireferenzenklassifikatoren Nächster-Nachbar-Klassifikator RCE-Netze Radial-Basis-Funktionen Vektorquantisierung Template-Matching Bemerkungen zu Multireferenzenklassifikatoren Funktionalklassifikatoren Polynomklassifikator Neuronale Netze vom Multilayer-Perzeptron-Typ Darstellung anderer Klassifikatoren als neuronale Netze Bemerkungen zum Einsatz neuronaler Netze Zusammensetzung der Lernstichprobe Merkmalsskalierung Rückweisung 197

5 12 Inhaltsverzeichnis Zufälligkeit Zusammenfassung Maßprüfung Vermessungsaufgaben Einfache Vermessung Schwerpunktsabstände Konturabstände Winkelmessungen Formkontrolle an Elektronikstanzteilen n Prüfaufgabe Berechnung von Ausgleichsgeraden Messung des Konturwinkels Winkelmessung an einem Zahnriemen Beleuchtungsaufbau Kantenerzeugung Formkontrolle an Spritzgußteil Bestimmung von Radien Bemerkungen zur Ausgleichskreisberechnung Hochgenaue Vermessung eines Gewindeflansches Beleuchtung und Bildaufnahme Subpixelgenaue Vermessung der Gewindetiefe Kalibrierung Kalibriermodus Prüfungsbezogene Kalibrierungen Zusammenfassung Querschnitt: Bildaufnahme und Beleuchtung Halbleitersensoren Funktionsweise eines CCD-Sensors Eigenschaften von CCD-Sensoren.' Abbildungsfehler von CCD-Sensoren Standard-Videokameras Prinzipieller Aufbau Die Videonorm Abtastung des Zeilensignals Bildqualität Erweiterungen des analogen Videostandards Progressive-Scan-Kameras Asynchronkameras Kameras mit internem Bildspeicher Pixelsynchrone Abtastung Hochauflösende Kameras Partial-Scan-Kameras Kamerakonfiguration 258

6 Inhaltsverzeichnis Digitalkameras Eigenschaften von Digitalkameras Anschluß und Signalübertragung bei Digitalkameras Zeilenkameras Typen von Zeilenkamera-Anwendungen Ortsauflösung bei Zeilenkameras Belichtung bei Zeilenkameras Steuerung von Zeilenkameras Übertragung zum Rechner Grundfunktion eines Framegrabbers Framegrabber für Standard-Videokameras Framegrabber für andere analoge Flächenkameras Framegrabber für Digitalkameras Framegrabber für Zeilenkameras Bussysteme für die Bildübertragung Parallele und sequentielle Bildaufnahme Optische Grundlagen Blendenzahl Abbildungsgesetze Schärfentiefe Typische Aufnahmesituationen Abbildungsfehler Objektivbestimmung Besondere Objektivtypen Beleuchtungstechnik Leuchtmittel Auflicht Durchlicht Zusammenfassung Anwesenheitskontrolle Einfache Anwesenheitskontrolle Prüfteilgeometrie Beleuchtung Positionskorrektur ; Segmentierung Bewertung Segmentierung mit Template-Matching Einfache Vermessung zur Montagekontrolle Beleuchtung Prüfkriterien Objekterzeugung und Maßberechnung Positionskorrektur Anwesenheitskontrolle mit Hilfe von Klassifikatoren Beleuchtung 327

7 14 Inhaltsverzeichnis Kontrolle der Verstemmung Typkontrolle des Flansches Kontrastlose Anwesenheitskontrolle Anwesenheitskontrolle mit Zeilenkameras Prüfung zylindrischer Teile mit Flächenkameras Prüfung eines Ventilkörpers Bemerkungen! Zusammenfassung Querschnitt: Objektmerkmale Einfache geometrische Merkmale Umschreibendes Rechteck Fläche und Umfang Schwerpunktskoordinaten Achsen und Radien Formbeschreibende Merkmale Konturkrümmung Fasermerkmale :...' Euler-Zahl Momente und Fourierdeskriptoren Grauwertmerkmale Statistik erster Ordnung Texturmerkmale Zusammenfassung Ausblick: Bildverarbeitungsprojekte 373 A. Mathematische Ergänzungen 377 A.l Backpropagation-Training 377 A.l.l Neuronale Netze - Begriff und Geschichte 377 A.1.2 Grundlagen 378 A.l.3 Backpropagation 379 A.2 Herleitung der Schärfentiefe 382 A.2.1 Grenzabstände 382 A.2.2 Schärfentiefe im Unendlichen 385 A.2.3 Abhängigkeit der Schärfentiefe von der Brennweite B. Die Buch-CD 389 Literaturverzeichnis 391 Index 394