Industrielle Bildverarbeitung Zeilenkameras am sausenden Webstuhl der Zeit
Farbzeilenkameras decken Materialdefekte und Webfehler in Textilbahnen auf
(PresseBox) - Immer mehr automatisierte Systeme basieren auf dem Erkennen von Farbinformationen ? und die Bildverarbeitungstechnologie ist dabei, sich den hierbei ständig steigenden Anforderungen anzupassen.
Aufgrund der mit Farbaufnahmen gewonnenen Zusatzinformationen stellt sich für Systemintegratoren heute nicht mehr die Frage, wann und wo man eine Farbkamera einsetzen, sondern eher welchen Kameratyp man wählen soll. Zeilenkameras kommen häufig bei der Web-Inspektion und bei Systemen zum Einsatz, die mit Förderbändern arbeiten und kontinuierliche Bewegungen erfassen müssen. Besonders im industriellen Bereich werden Farb-Zeilenkameras verwendet. Hier hat man die Wahl zwischen Kameras mit einem oder drei Sensoren. 1-Sensor-Kameras haben entweder eine einzige RGB-Zeile oder aber zwei oder drei benachbarte Zeilen. Als mehrzeilig werden Sensoren mit typischerweise drei Zeilen oder mehr bezeichnet. Mit verbesserter Sensortechnologie sind Multiline Zeilenkameras mittlerweile eine Alternative zu den Drei-Sensor-Kameras; vor allem auch, weil sie sich in einem mittleren Preissegment befinden.
Heute gibt es Multiline Zeilenkameras mit Zeilenraten von bis zu 18 kHz bei 4096 Pixeln und mit einem Zeilenabstand von nur einer oder zwei Zeilen. Beim Scannen von Stoffen teilt man das Bild in mehrere Betrachtungsstreifen auf. Die Kamera erfasst das Bild in Form von drei Zeilenabbildern, eines pro Spektralbereich (rot, grün und blau). Bei einer 3-Sensor Kamera wird also ein und dieselbe Zeile dreimal zum selben Zeitpunkt erfasst, während bei einer Multi-Line Kamera die Zeile nacheinander, und somit zu unterschiedlichen Zeitpunkten, im Rot-, Grün und Blaubereich erfasst wird. Der Abstand zwischen dem ersten und dem letzten Erfassen einer Zeile des Aufnahmebereichs hängt vom Zeilenzwischenraum des Sensors ab. Moderne Mehrzeilensensoren bieten heute Zeilenzwischenräume von nicht mehr als ein oder zwei Zeilen an. Bei einem 50 cm breiten Stoff, der mit einer Auflösung von 4096 Pixeln erfasst wird, liegt die Auflosung in der Größenordnung von 0,1 mm. Dies reicht zur Prufung der Stoffbahnen und kleinster Details. Der Stoff wird mit einer Transportgeschwindigkeit von 2,2 m/s gescannt, wobei zwischen dem Erfassen zweier Zeilen 55 µs vergehen.
Wenn sich die Position des Stoffes wahrend der Aufnahme ändert, ist die Zeile, die beim Erfassen der dritten Zeile gescannt wird, nicht mehr dieselbe wie die zuvor registrierte. Bei der nachfolgenden Kanten- oder Merkmalserkennung fuhrt das zu so genannten Farbartefakten oder Unschärfen. Die Größe des Positionierfehlers, ab der ein Farbartefakt entsteht, ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen der ersten und der letzten Zeile. Ein Artefakt mit zehnprozentiger Farbverfälschung entsteht in einer Zeile, wenn die Position um folgende Werte von der korrekten abweicht:
Bei einem Zeilenzwischenraum von 0 Zeilen: 3,3% (10% mal 1/3)
Bei einem Zeilenzwischenraum von 1 Zeile: 2,0% (10% mal 1/5)
Bei einem Zeilenzwischenraum von 2 Zeilen: 1,4% (10% mal 1/7).
Viele heute eingesetzte Kameras haben einen Zeilenzwischenraum in der Größenordnung von zehn, der tolerierbare Positionierfehler ist dann also kleiner als 0,5 Prozent. Üblicherweise wird empfohlen, bei Zeilenkameras das Erfassen des Bildes mit dem mechanischen Transport zu synchronisieren, um unverfälschte Bilder zu bekommen. Das wirkt zwar den durch Geschwindigkeitsschwankungen verursachten Artefakten entgegen, nicht aber solchen, die durch Fehlpositionierung (Vibration oder Drehung des zu erfassenden Objekts) verursacht werden. Letzteres ist ein häufiges Problem in Fallen, in denen rollende Objekte auf einem Forderband überwacht werden (zum Beispiel Bohnen, Kartoffeln, Tabletten, elektrische Sicherungen).
Der bisher einzige Weg, dieses Problem anzugehen, war der Einsatz von Prismenkameras, die weniger empfindlich auf Positionierfehler reagieren als Mehrzeilenkameras. Mit dem Aufkommen der neuen mehrzeiligen Sensoren und Kameras hat sich diese Situation geändert; mit Zeilenzwischenräumen von eins oder zwei können sie fünfmal größere Positionierfehler tolerieren als frühere Typen.
Zusätzlich erweitert sich durch das Mult-Line Konzept das von den Zeilenkameras erfassbare Farbspektrum. Es ist konstruktiv ziemlich schwierig, mehr als drei Chips und die zugehörigen Ansteuerschaltungen mit einem Prisma zusammenzubauen. Genau deswegen besitzen Kameras der Standardklasse nur drei Chips. Kameras mit Prisma können nur drei Farbkanale erfassen, dagegen Zeilenkameras mit mehr als drei Zeilen zusätzlich auch Nahinfrarot erkennen oder ergänzende Schwarz-/Weiß-Informationen liefern.
Um mehr Farbkanale zu erhalten, wird üblicherweise die Schärfe im Rot- und Blaubereich verringert. Durch Einsetzen mehrerer Sensoren und/oder Zeilen und Auswerten der Signale per Bayer-Interpolation können Sensoren trotz einer begrenzten Anzahl von Zeilen mehr Farbkanale liefern. Moderne Mehrzeilentechnik liefert Informationen aus mehreren Spektralbereichen, ohne dabei die Schärfe zu reduzieren. Solche Sensoren haben heute vier statt drei Zeilen und ermöglichen es Systemintegratoren zwischen zusätzlichen Helligkeitsinformationen oder Informationen aus dem Bereich des Nahnfrarot zu wählen.
Bei der Wahl der passenden Zeilenkamera Technologie sollten die folgenden Fragen gestellt werden: Welcher Spektralbereich soll erfasst werden? Welche Auflosung wird benötigt? Welche Optik und welche Einbauweise soll die Kamera aufweisen? Welche Zeilenrate ist erforderlich? Über welches Signal-Rausch-Verhältnis darf die Kamera verfugen? Welche sonstigen Leistungsmerkmale, zum Beispiel Anti-Blooming-Funktion, Ausgabeprotokoll, Framegrabber, benötigt das System?
Im nächsten Schritt müssen die folgenden Störfaktoren in Betracht gezogen werden: Vibration, Rotation und Schwankungen bei der Geschwindigkeit des Objekts, Unregelmäßigkeiten bei der Beleuchtung.
Wenn die Bildscharfe wichtig ist, sollten alle Störfaktoren zusammen nicht mehr als ein paar Prozent der Breite einer erfassten Zeile ausmachen. In diesem Fall genügt normalerweise eine moderne Mehrzeilenkamera.
Wird dieser Wert überschritten, ist der Kauf einer Mehrsensorkamera zu empfehlen, um die Bildqualität insgesamt zu verbessern. Es lohnt sich also, sich für das Prüfen der verschiedenen Technologien Zeit zu nehmen, um die maximale Leistung zu erhalten.
Autor: Pierre Cambou, e2v
Link Farbzeilenkameras
http://www.rauscher.de/Produkte/Kameras/e2v-Zeilenkameras-Farbe/
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Datum: 12.09.2010 - 07:08 Uhr
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