Digitale Bildverarbeitung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung / Aufgabenstellung

2 Grundlagen der digitalen Bildverarbeitung
2.1 Aufbau eines Bildverarbeitungssystems
2.2 Vorgehensmodell bei Bildverarbeitungsaufgaben
2.3 Beleuchtungstechnik
2.3.1 Beleuchtungsmittel
2.3.2 Beleuchtungsverhältnisse
2.4 Optische Grundlagen
2.4.1 Abbildungsgesetze
2.4.2 Typische Aufnahmesituationen
2.4.3 Besondere Objektivtypen
2.5 CCD Sensor
2.6 Bildübertragung
2.7 Bildvorverarbeitung
2.7.1 Punktoperationen
2.7.2 Lokale Operationen
2.8 Segmentierung
2.8.1 Allgemeines
2.8.2 Binärsegmentierung
2.8.3 Bereichsbinarisierung
2.8.4 Konturverfolgung
2.8.5 Kantenorientierte Methoden
2.8.6 Template Matching
2.9 Objektmerkmale
2.9.1 Geometrische Merkmale
2.9.2 Formbeschreibende Merkmale

3 Zählung von Trays
3.1 Einleitung
3.2 Problembeschreibung
3.2.1 Stapelmöglichkeiten
3.2.2 Mögliche Kombinationen von Trays
3.2.3 Beleuchtungssituation
3.2.4 Auswahl der Kamera und des Objektives
3.3 Programmierung Trayzählung
3.3.1 Bildaufnahme
3.3.2 Bildvorverarbeitung
3.3.3 Setzen von einem oder mehreren Arbeitsbereichen
3.3.4 Erzeugung von Objekten (Trays) und Berechnung der Objekteigenschaften
3.3.5 Entscheidung über die Korrektheit der vorhandenen Objektdaten
3.4 Bedienung des Programmes
3.4.1 Erklärung der einzelnen Bedienelemente
3.4.2 Bedienungsanleitung
3.5 Zeitbedarf des Programmes
3.6 Aufgetretene Probleme und deren Lösung
3.6.1 Unterste Trays mit Schatten
3.6.2 Schiefer Stapel
3.6.3 Schattenverlängerung
3.6.4 Datenaustausch mit DDE (Dynamik Data Exchange)

4 Geschlossenheitskontrolle
4.1 Einleitung
4.2 Problembeschreibung
4.3 Beleuchtungssituation
4.4 Auswahl der Kamera
4.5 Anforderungen an das Bildverarbeitungssystem
4.6 Programmierung nach Lösungsansatz 1
4.6.1 Bildaufnahme
4.6.2 Bildvorverarbeitung
4.6.3 Liniendetektion und Auswertung
4.7 Allgemeines zur ersten Programmvariante
4.8 Programmierung nach Lösungsansatz 2
4.8.1 Bildaufnahme und Bildvorverarbeitung
4.8.2 Kantendetektion
4.8.3 Auswertung der Außenkante
4.9 Lösungsvariante auswählen (Vergleich der beiden Varianten)
4.10 Programmbedienung

5 Zusammenfassung / Ausblick

1 Einleitung / Aufgabenstellung

Die digitale Bildverarbeitung ist angesichts steigender Anforderungen an Produktqualität und deren Dokumentation (ISO 9000) von einer Zukunftstechnologie zu einer Schlüsseltechnologie geworden. Der enorme Fortschritt in der Computertechnologie bei gleichzeitigem Preisverfall erlaubt nun einen breiten Einsatz von digitaler Bildverarbeitung; beispielsweise bei der Qualitätssicherung und zur Überwachung in Fertigungsprozessen.

Die Aufgabenbereiche für Bildverarbeitungssysteme in der industriellen Produktion lassen sich folgendermaßen einteilen:

- Lageerkennung: Objektpositionierung, Roboterpositionierung
- Kennzeichnungsidentifikation: Barcode-, Schrifterkennung, Druckqualitätskontrolle
- Form- und Maßprüfungen; Anwesenheitskontrolle; Oberflächeninspektion

Je länger man sich mit dem noch sehr jungen Wissensgebiet digitale Bildverarbeitung beschäftigt, desto mehr mögliche Einsatzgebiete schließen sich auf. Jedoch muß gleich an dieser Stelle eine Einschränkung gemacht werden.

Für einen Menschen ist es zum Beispiel kein Problem Schriftzeichen fehlerfrei zu erkennen. Für eine Maschine ist jedoch das, was der Mensch in Jahrmillionen der Evolution gelernt hat, ganz und gar nicht trivial. Für eine automatische Sichtprüfanlage ist es daher besonders wichtig, Bedingungen zu schaffen, damit diese optimal arbeiten kann. Dann sind solche Systeme auch in der Lage, konstante und zuverlässige Leistungen zu erbringen und dies auch bei monotoner Tätigkeit über den ganzen Tag hinweg.

Theoretische Grundlagen

Im ersten Teil dieser Diplomarbeit wird auf die theoretischen Grundlagen, die für die Lösung nachfolgend beschriebener Aufgaben notwendig sind, eingegangen. Der erste Abschnitt in diesem Kapitel soll eine Gesamtübersicht über den Aufbau von Bildverabeitungssystemen verschaffen. Bei den weiteren Kapiteln wird nach der Aufnahmekette vorgegangen:

- Beleuchtungstechnik
- Optische Grundlagen
- CCD – Sensor (Kameras)
- Bildübertragung
- Bildvorverarbeitung
- Segmentierung
- Objektmerkmale

Der Einsatz von digitaler Bildverabeitung bei Mehrwegtransportbehältern aus Kunststoff wird in dieser Diplomarbeit an Hand zweier Beispiele verdeutlicht. Realisiert wurden diese bei der Firma STECO Plastic Logistic Systems in Aurachkirchen (OÖ). Die Firma STECO beschäftigt sich mit der Produktion und Reinigung von Mehrwegtransportbehältern aus Kunststoff.

Aufgabenstellung 1: Zählung von Trays Erste Aufgabenstellung ist eine Zählung von Mehrwegtransportbehältern für Molkereiprodukte sog. MOPROTRAYS. Diese werden nach jedem Umlauf (Molkerei – Handel) auf Europaletten zurückgeliefert und gereinigt. Für die Abrechnung mit dem Kunden ist eine Eingangszählung der zurückgelieferten Trays notwendig. Auf Grund folgender Vorteile hat man sich entschlossen, die Zählung der Trays mit digitaler Bildverarbeitung zu realisieren:

- Verschleißfreie Sensoren (Kameras)
- Zählung von unterschiedlichen Traytypen möglich
- Das System ist in das vorhandene Warenwirtschaftssystem über eine Datenbankschnittstelle integrierbar
- Einfache Bedienung

Bei der Umsetzung dieser Bildverarbeitungsaufgabe lag die Hauptschwierigkeit daran, eine konstante, homogene Ausleuchtung der Traystapel zu erreichen. Dies wurde mit einer völligen Abschottung von Fremdlicht durch eine Dunkelkammer in der sich 32 Leuchtstofflampen hinter einer milchigen Kunststoffplatte befinden, gelöst. Durch die große Aufnahmefläche (1400*1100mm) in Relation zur notwendigen Auflösung von ca. 1mm/Pixel war der Einsatz von einer hochauflösenden Kamera notwendig. Die Programmierung erfolgte mit LabVIEW 5.0, einer grafischen Programmiersprache von National Instruments.

Das System zählt die Trays nach Typen getrennt, zeigt die Anzahl der gezählten Trays an und speichert das Zählergebnis in einer Datenbank. Außerdem wird für jede gezählte Palette ein Ausdruck mit dem Zählergebnis erstellt, der auf die Vorderseite der Palette geklebt wird. Der Lagerarbeiter kann an Hand dieses Zettels Trays von dem gesuchten Typ schneller finden.

Aufgabenstellung 2: Geschlossenheitskontrolle von Obst- und Gemüsekisten Bei der zweiten Aufgabenstellung handelt es sich um eine Geschlossenheitskontrolle von Obst- und Gemüsekisten. Diese Boxen werden unter anderem bei der Handelskette SPAR eingesetzt. Um Transportkapazitäten zu sparen, werden die Kisten im auseinandergeklappten Zustand angeliefert. Vor der Kommissionierung werden die Kisten durch einen mechanischen Aufrichter geschickt, der die Seitenteile miteinander verriegelt. Boxen, die vom Aufrichter nicht absolut korrekt geschlossen werden, können später durch das Holpern auf der Rollenbahn auseinanderfallen. Dies verursacht jeweils Stillstandszeiten der gesamten Anlage von 30 bis 45 min. Bei SPAR-Wels entschloß man sich daher, ein Bildverarbeitungssystem anzuschaffen, daß die Kisten nach dem Aufrichten auf Geschlossenheit kontrolliert und fehlerhafte Kisten ausschleußt.

Derzeit sind hell- und dunkelgrüne Obst – und Gemüsekisten im Umlauf. Das System muß daher sowohl hellgrüne, als auch dunkelgrüne Kisten auf Geschlossenheit kontrollieren können. Dies bedurfte eines Kompromisses bei der Helligkeit der Beleuchtung und bei der Blendeneinstellung auf dem Objektiv.

Beide hier vorgestellten Systeme sind als Einstiegsprojekte bei der Firma STECO zu betrachten. Durch die intensive Beschäftigung mit dieser Thematik schließen sich immer wieder neue Einsatzgebiete für digitale Bildverarbeitung bei der Firma STECO auf.

2 Grundlagen der digitalen Bildverarbeitung

2.1 Aufbau eines Bildverarbeitungssystems

Nahezu jedes Bildverarbeitungssystem läßt sich in vier Blöcke unterteilen: Kameras, Rechner, Kommunikationseinheiten und Beleuchtung. In Abbildung 2.1 ist der Hardwareaufbau eines solchen Systems schematisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1. Schematischer Aufbau eines Bildverarbeitungssystems

Für Bildverarbeitungsaufgaben in der Industrie werden in der Regel als Sensoren Kameras verwendet. Für bestimmte Anwendungen können jedoch auch andere Sensoren Verwendung finden (Scanner, Laserabtast- und Ultraschallsensoren).

Die Verbindung zwischen den Kameras und dem Rechner wird gewöhnlich durch Framegrabberkarten hergestellt, die die analogen Signale von den Kameras in ein digitales Bild umwandeln, das vom Rechner verarbeitet werden kann.

Industrie-PC

Durch die zunehmende Leistungssteigerung bei gleichzeitigem Preisverfall auf dem PC-Markt, gewann der PC im Bereich der digitalen Bildverarbeitung in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Bei sehr datenintensiven Auswertungen wie z.B. für kontinuierliche Herstellungsprozesse (Stahl, Papier oder Textilien) werden vorwiegend Parallelrechnersysteme verwendet.

Kommunikation

Bildverarbeitungssysteme sind keine autarken Systeme. D.h. sie benötigen Inputs (Leitrechner, SPS, Triggerimpuls für die Kamera,...) und geben Outputs (SPS, Anzeigen, Server,...). Das System muß also in der Lage sein, mit anderen Geräten zu kommunizieren. Folgende Varianten sind dabei möglich:

- Serielle Schnittstellen zum Leitrechner oder Server
- Parallele Schnittstellen zu SPS, Anzeige- oder Eingabeelementen

Beleuchtung

Die Beleuchtung hat einen wesentlichen Anteil am Erfolg einer Bildverarbeitungsanwendung. Die richtige Auswahl und Positionierung der Beleuchtungskörper ist in der Praxis meist nur durch Probieren feststellbar.

2.2 Vorgehensmodell bei Bildverarbeitungsaufgaben

Ausgehend von der Aufgabenstellung gibt es verschiedene grundsätzliche Ansätze für die Lösung der Aufgabe. Für die Auswertung von Satellitenbildern ist eine andere Vorgangsweise zu wählen, als bei der Auswertung von Bildern im industriellen Einsatz.

Oft läßt sich beim Einsatz von Bildverarbeitungssystemen in der Industrie die Gesamtaufgabe in mehrere voneinander unabhängige Teilaufgaben zerlegen [Waszk, 1998]. Diese Einzelprüfungen verlaufen dann meist nach folgenden Schema:

1. Bildaufnahme
2. Bildvorverarbeitung
3. Setzen von einem oder mehreren Arbeitsbereichen
4. Erzeugung von Objekten
5. Berechnung von Objekteigenschaften
6. Entscheidung über die Korrektheit der vorhandenen Objekte

2.3 Beleuchtungstechnik

Bei den meisten Bildverarbeitungsaufgaben ist man auf hochwertige Bilder angewiesen. Verluste, die bereits in der Aufnahmekette entstehen (Beleuchtung, Objektiv, Sensor, Übertragung) lassen sich durch softwaretechnische Maßnahmen kaum oder nur schwer ausgleichen.

Als ersten Teil in der Aufnahmekette kommt der Beleuchtung eine wesentliche Bedeutung zu. Für eine reproduzierbare Bildverarbeitung sind konstante Lichtverhältnisse sehr wichtig. Lichtschwankungen auf dem aufzunehmenden Bild können verschiedene Ursachen haben:

- Direktes Sonnenlicht von außen
- Beleuchtungsschwankungen durch Ausfall oder Flackern von Leuchtstofflampen
- Schatten auf dem Objekt durch vorbeigehende Personen

Es ist daher ratsam, eine Abschottung des zu untersuchenden Objektes von Fremdlicht vorzunehmen.

Auf der Suche nach einer geeigneter Beleuchtungsanordung können die Internetseiten [bruce, 1999] hilfreich sein. Hier sind für verschiedene Aufgabenstellungen schematisch die Beleuchtungssituation dargestellt.

2.3.1 Beleuchtungsmittel

Für den Einsatz als Beleuchtung in Bildverarbeitungsaufgaben eignen sich je nach Anwendungsfall folgende Beleuchtungskörper:

- Leuchtstoffröhren
- Halogenlampen
- Leuchtdioden
- Laser, meist als Laserleuchtdioden

Handelsübliche Glühlampen werden wegen ihrer hohen Wärmeentwicklung bei gleichzeitig geringer Lichtausbeute und der wechselstrombedingten Helligkeitsschwankungen praktisch nicht verwendet.

Leuchtstoffröhren

Sie liefern ein sehr helles, homogenes Licht. Für Bildverarbeitungsaufgaben ist es jedoch empfehlenswert elektronische Hochfrequenz-Vorschaltgeräte zu verwenden. Man vermeidet damit die periodischen Netzfrequenzschwankungen und ein Flackern beim Starten. Werden Leuchtstoffröhren hinter einem transparenten Kunststoff montiert, erhält man eine diffuse Auflicht- oder Hintergrundbeleuchtung für einfache Vermessungsaufgaben. Eine andere Bauform sind Ringleuchten, meist mit Durchmessern von einigen Zentimetern.

Halogenlampen

Diese Lampen werden wegen ihres sehr ungemütlichen weißen Lichtes auch als Kaltlichtquellen bezeichnet, obwohl sie alles andere als kalt sind. In Verbindung mit Glasfaserlichtleitern mit Spotversatz lassen sich bestimmte Punkte eines Objektes gezielt beleuchten. Zusätzlich gibt es ringförmige Vorsätze, in die häufig ein Polarisationsfilter eingebaut ist und zeilenförmige Vorsätze.

Werden Halogenlampen mit Gleichspannung betrieben, entfällt die für die Leuchtstoffröhren typische Problematik der Wechselspannungsfrequenz.

Für Blitzbeleuchtungen verwendet man meist Xenon-Lampen, die dem Aufbau nach den Halogenlampen sehr ähnlich sind. Helligkeit und Frequenz dieser Lampen lassen sich sehr gut steuern.

Leuchtdioden

Der Vorteil von LEDs gegenüber anderen Lichtquellen ist, daß sie nahezu verschleißfrei sind. Außerdem lassen sie sich im Gegensatz zu Xenon-Lampen verschleißfrei blitzen. Ein zusätzlicher Vorteil von Leuchtdioden ist, daß die meisten LED-Beleuchtungen im roten und nahen infraroten Bereich arbeiten, für die Silizium-CCD-Sensoren sehr empfindlich sind. Man kann hier Blitzbeleuchtungen realisieren, die in der Umgebung arbeitende Menschen nicht stören.

Laser

Laserlicht eignet sich aufgrund seiner besonders guten Fokussierbarkeit vor allem für strukturierte Beleuchtungen. Eine typische Anwendung für Laser ist die Überprüfung von Teilegeometrien und zwar speziell dann, wenn kein Grauwertkontrast vorhanden ist.

2.3.2 Beleuchtungsverhältnisse

Man beobachtet oft, daß Menschen ein Objekt aus verschiedenen Winkeln betrachten, es drehen und kippen und es nach dem Licht ausrichten. Genauso verhält es sich bei der Bildaufnahme mit einer Kamera. Der Beleuchtungsaufbau für konkrete Anwendungen wird im allgemeinen individuell auf der Basis von Experimenten erfolgen müssen. Hier jedoch eine Übersicht über typische Beleuchtungsverhältnisse, die zum Teil aus [IllSol, 1996] entnommen sind.

Auflichtbeleuchtung

Man kann zwei grundsätzliche Arten von Beleuchtungsanordnungen unterscheiden: Auflicht und Durchlicht. Beim Auflicht befindet sich die Beleuchtung auf der gleichen Seite des Objektes wie die Kamera; bei der Durchlichtbeleuchtung befindet sich das Objekt zwischen Lichtquelle und Kamera.

Diffuses Auflicht

Unter diffusem Auflicht versteht man eine Beleuchtung ohne klar feststellbare Richtung. Dadurch werden Schatten und starke Reflexionen vermieden. Diffuse Beleuchtung entsteht, wenn das Licht von einer großen Fläche abgestrahlt wird. Dies läßt sich beispielsweise durch Einbau der Lichtquelle hinter milchigem Glas oder Kunststoff oder durch Reflexionen an weißen Schirmen erreichen. Abbildung 2.2 zeigt den schematischen Aufbau einer diffusen Auflichtbeleuchtung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gerichtetes Auflicht

Bei dieser Art von Auflichtbeleuchtung wird die Lichtquelle so plaziert, daß direkte Reflexionen von einer völlig glatten Oberfläche nicht das Objektiv treffen. Man erreicht dies durch flachen, seitlichen Lichteinfall. Da eine völlig glatte, spiegelnde Oberfläche dann dunkel erscheint, bezeichnet man dies auch als Dunkelfeldbeleuchtung.

Durchlichtbeleuchtung

Bei Durchlichtbeleuchtung befindet sich das Objekt zwischen Lichtquelle und Kamera. Die Kamera sieht das Objekt als Schatten. Diese Art der Beleuchtung erzeugt daher ausgezeichnete Kontraste und ist für Vermessungsaufgaben gut geeignet.

Diffuse Hintergrundbeleuchtung

Ähnlich wie diffuse Auflichtbeleuchtung durch Abstrahlung von großen Flächen erzielt wird, erreicht man eine diffuse Hintergrundbeleuchtung durch die Verwendung von Leuchtplatten. Die Lichtquelle wird dabei mit halbtransparenten Kunststoff- oder Glasplatten abgedeckt. Als Leuchtmittel können Leuchtstoffröhren oder Kaltlichtquellen verwendet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gerichtete Hintergrundbeleuchtung

Ein Problem bei diffusen Hintergrundbeleuchtungen stellt das Auftreten von Seitenlicht dar. Daher ist für hochgenaue Vermessungen eine Abschottung des Seitenlichtes notwendig.

2.4 Optische Grundlagen

Bevor aus den Helligkeitsinformationen auf dem Kamerasensor ein digitales Bild wird, muß man dafür sorgen, daß auf dem Sensor überhaupt ein brauchbares Bild entsteht. Hierin besteht die Aufgabe der optischen Bauelemente, vor allem der Objektive.

Auf dem CCD Sensor muß ein scharfes, kontrastreiches Bild der zu untersuchenden Bildszene entstehen. Die Wahl des Objektives ist von einer Reihe von Faktoren abhängig:

- der Objektgröße
- dem einzuhaltenden Abstand
- den Beleuchtungsbedingungen
- der Bauform der Kamera
- den Besonderheiten der Prüfaufgabe

Für das Verständnis der optischen Gesetzmäßigkeiten sind ein paar wesentliche Begriffe notwendig:

Brennweite

Der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt wird als Brennweite f bezeichnet.

Blendenzahl

Abbildung 2.4 zeigt schematisch die Verhältnisse hinter dem Objektiv einer Kamera.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zur ausreichenden Belichtung des Sensors ist eine bestimmte Lichtmenge je Flächeneinheit erforderlich. Die Lichtmenge wiederum wird bestimmt von der Belichtungsdauer und dem Durchmesser des Strahlenbündels, der durch die Blende zum Sensor fällt [Waszk; 1998].

Das Verhältnis zwischen Blendendurchmesser d und Brennweite f des Objektivs bezeichnet man als relative Öffnung, seinen Kehrwert k als Blendenzahl.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Internationale Blendenreihe

Zu beachten ist dabei, daß auf Grund der internationalen Blendenreihe nur folgende Blendenzahlen zur Verfügung stehen:

Lichtstärke

Die größte relative Öffnung eines Objektivs bezeichnet man als seine Lichtstärke. Sie begrenzt die maximale Lichtmenge, die durch das Objektiv durchtreten kann, also auch die minimale Beleuchtung, bei der noch Aufnahmen mit diesem Objektiv möglich sind.

2.4.1 Abbildungsgesetze

Die Konstruktion des Linsenbildes (Abbildung 2.5) gehorcht im Idealfall den folgenden Gesetzen [Kuch, 1988]:

- Ein parallel zur optischen Achse einfallender Strahl verläuft hinter der Linse durch den Brennpunkt F.
- Ein Strahl, der durch den vor der Linse liegenden Brennpunkt F‘ einfällt, verläuft hinter der Linse parallel zur optischen Achse.
- Ein Strahl, der durch den Mittelpunkt der Linse verläuft, verändert seine Richtung nicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus diesen drei Gesetzen ergeben sich folgende Gleichungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus obigen Gleichungen ergibt sich durch Umformungen die Abbildungsgleichung für dünne Linsen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Öffnungswinkel

Der Öffnungswinkel ergibt sich in Abhängigkeit von der Sensorgröße und der Brennweite zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4.2 Typische Aufnahmesituationen

[Jähne, 1997] unterscheidet drei typische Aufnahmesituationen mit bestimmten Eigenschaften:

- Fernaufnahmen mit g >> f, b » f
- Makroaufnahmen mit g » b
- Mikroaufnahmen mit g » f, b >> f

Fernaufnahmen

Von einer Fernaufnahme spricht man dann, wenn die Gegenstandsweite erheblich größer ist als die Brennweite der Linse. Das ist die typische Situation bei Film- und Fotoaufnahmen und auch bei vielen Bildverarbeitungsanwendungen, vor allem aus dem Bereich der Anwesenheitskontrolle, bei denen es darauf ankommt, eine Gesamtprüfung großer Teile vorzunehmen, nicht jedoch auf besondere Meßgenauigkeit.

Makroaufnahmen

Kennzeichnend für Makroaufnahmen ist, daß die Bildweite etwa der Gegenstandsweite entspricht, also ungefähr bei der doppelten Brennweite. Bei diesem Aufnahmefall wird nur noch ein sehr kleiner Teil scharf abgebildet.

Mikroaufnahmen

Wird die Gegenstandsweite nahezu gleich der Brennweite spricht man von einer Mikroaufnahme. Typischer Fall bei einer starken Vergrößerung in einem Mikroskop.

2.4.3 Besondere Objektivtypen

Für bestimmte Anwendungen werden spezielle Objektivtypen verwendet:

Telezentrische Objektive

Dieser Objektivtyp wird vor allem bei Vermessungsaufgaben verwendet [Waszk, 1998]. Seine Eigenart besteht darin, daß innerhalb des sogenannte Telemetriebereiches eine Änderung des Abstandes zwischen Gegenstand und Objektiv keine Größenänderung des Bildes zur Folge hat. Dies ist jedoch nur möglich, wenn das Objektiv auf der Gegenstandsseite einen parallelen Strahlengang aufweist. In diesem Fall gehen alle Strahlen durch den Brennpunkt. Außerdem muß man noch voraussetzen, daß der Gegenstand nicht größer sein darf als das Objektiv. Telezentrische Objektive werden daher nur für relativ kleine Objekte gebaut.

Superweitwinkel- Objektive

Diese werden auch als Fischaugen-Objektive bezeichnet. Sie verfügen aufgrund ihrer Konstruktion über einen extrem großen Öffnungswinkel von mehr als 90°. Die Abbildung einer solchen Linse weist jedoch eine extrem große kissenförmige Verzeichnung auf, was sie für genaue Vermessungsaufgaben unbrauchbar macht. Jedoch sind solche Objektive für die Anwesenheitskontrolle im Inneren rotationssymmetrischer Teile gut geeignet, wie Abbildung 2.6 am Beispiel eines Rollenlagers zeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Spezialoptiken

Es gibt eine Vielzahl von Spezialoptiken, die man sich für spezielle Zwecke von verschiedenen Herstellern konstruieren und fertigen lassen kann. Es seien hier nur einige Beispiele aufgeführt:

- Zweimeßstellenobjektive
- Prismenköpfe
- konische Spiegel

2.5 CCD Sensor

Ein CCD Sensor (charge coupled device) besteht aus einer Vielzahl von lichtempfindlichen Halbleiterelementen (Pixel). Seine Aufgabe besteht darin, die einfallenden Photonen in Elektronen umzuwandeln, diese zwischenzuspeichern und schließlich aus der Sensorfläche herauszutransportieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7 zeigt schematisch die Funktionsweise eines einzelnen Sensorelementes.

Die gespeicherte Ladungsmenge ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichtes und zur Belichtungszeit. Das entstandene Potential ist also ein Maß für die Helligkeit.

Bei den heute üblicherweise eingesetzten Analogkameras werden die Ladungen getaktet ausgelesen und die dadurch entstehende Spannung dem Ausgangssignal aufmoduliert. Die Übertragung von Bildsignalen nach der Videonorm stellt den derzeit gängigen Standard in der Bildverarbeitung dar.

Vor der Verarbeitung im Computer muß dieses Analogsignal noch in einen digitalen Wert umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt die Bildverarbeitungskarte (Framegrabber) im Computer.

Bei Digitalkameras unterscheidet sich die Art der Signalübertragung wesentlich zu den Analogkameras. Hier erfolgt die Wandlung der Ladungsinhalte der CCD-Sensorelemente in digitale Werte schon in der Kamera, bevor Leitungsdämpfung, Störeinstreuung, etc. zu einer Signalverfälschung führen können. Die Grauwerte werden dann direkt als digitale Werte zum Framegrabber übertragen. Nachteilig bei der digitalen Kameratechnologie sind jedoch der derzeit noch sehr hohe Preis, die kompliziertere Übertragung und die aufwendige Verkabelung.

2.6 Bildübertragung

Ein digitales Bild ist eine Matrix von Helligkeitswerten. Wesentliche Eigenschaften daraus sind:

Ortsdiskretierung

Unter Ortsdiskretierung oder auch Auflösung einer Kamera versteht man die Anzahl der Bildpunkte pro Bild.

Quantisierung

Der Bereich zwischen schwarz und weiß wird durch eine Anzahl diskreter Helligkeitsstufen unterteilt. Bei den meisten verwendeten Bildverarbeitungssystemen sind dies 256 Stufen. Diese 256 Helligkeitsstufen werden im Personalcomputer durch 8 Bit dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine CCD Kamera erzeugt für jeden Bildpunkt einen diskreten Spannungswert, der der aufgenommenen Lichtmenge proportional ist. Diese Spannungswerte werden Pixel für Pixel und Zeile für Zeile übertragen und in der Bildverarbeitungskarte wieder zu einem Bild zusammengefügt.

Videonormen

Für die Übertragung des aufgenommenen Bildes von der Kamera zur Framegrabberkarte gibt es verschiedene Videonormen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1. Videonormen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Framegrabber hat die Aufgabe, diese analoge Spannung wieder zu einem Bild zusammenzufügen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zunächst tastet der Framegrabber das eintreffende analoge Videosignal gemäß seinem Pixeltakt ab, wobei dieser intern generiert oder von einer entsprechend ausgerüsteten Kamera zusätzlich zum Videosignal übertragen werden kann. Der Spannungswert wird dann vom A/D-Wandler in einen Zahlenwert von üblicherweise acht Bit umgewandelt. Diese Werte werden dann gespeichert, bis ein komplettes Bild entstanden ist [Waszk, 1998].

2.7 Bildvorverarbeitung

Bei der Bildvorverarbeitung wird aus einem Eingangsbild ein neues Bild erzeugt, das dem Eingangsbild im allgemeinen ähnlich ist, sich aber in bestimmten Eigenschaften von ihm unterscheidet, z.B. einen besseren Kontrast oder geringeres Rauschen aufweist.

Die Vorverarbeitungsfunktionen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Punktoperationen (2.7.1)

Diese Vorverarbeitungsverfahren verwenden nur den Bildpunkt an der jeweiligen Stelle des Eingangsbildes. Bei inhomogenen Punktoperationen hängt die Rechenvorschrift vom Ort des Bildpunktes ab, bei homogenen nicht. Im wesentlichen wird unterschieden zwischen:

- Grauwerttransformationen
- Bildarithmetik

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Lokale Operationen (2.7.2)

Diese Verfahren benutzen eine Umgebung des aktuellen Punktes zur Berechnung des Ergebniswertes. Man spricht hier häufig auch von Bildfiltern und bezeichnet die Umgebung als Operator, Filterkern oder Filtermaske.

- Lineare Filter
- Medianfilter
- Morphologische Filter
- Andere nichtlineare Filter

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.7.1 Punktoperationen

2.7.1.1 Grauwerttransformationen

Nach [Sonka, 1993] versteht man unter einer Grauwerttransformation eine Operation in der Form:

ox,y = f(ix,y)

Dabei ist ox,y der Grauwert der Koordinaten x und y im Ergebnisbild und ix,y der Grauwert an derselben Stelle im Eingangsbild.

Look-Up-Tabellen

Praktisch wird bei den Grauwertransformationen nicht jeder einzelne Bildpunkt nach der Funktion f berechnet, sondern es wird eine Tabelle aufgebaut, die genauso viele Einträge enthält, wie Grauwerte im Originalbild vorkommen. Die in einer solchen Look-Up-Tabelle abgespeicherten Werte werden entweder vorher durch eine mathematische Funktion errechnet oder durch Probieren festgelegt. Daher können mit LUT‘s Grauwerttransformationen durchgeführt werden, die sich nur schwer mit mathematischen Funktionen darstellen lassen.

Bei den meisten Framegrabberkarten sind Look-Up-Tabellen bereits in der Hardware integriert. Dadurch lassen sich viele Transformationen beschleunigen. Als Nachteil ist anzuführen, daß bei speziell angepaßten LUT stabile Beleuchtungsverhältnisse und ein gleichbleibendes Erscheinungsbild des Prüfobjektes wichtig sind.

Lineare Grauwerttransformationen

Ist als Sonderfall der Grauwerttransformationen anzusehen und wird mit der Gleichung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

beschrieben. Dabei sind c1 und c2 Koeffizientwerte, die folgende Auswirkungen auf das Bild haben [Haber, 1995]:

c1 > 0 Bild wird insgesamt heller

c2 < 0 Bild wird insgesamt dunkler

|c1| > 1 Bild wird kontrastreicher

|c2| < 1 Bild wird kontrastärmer

Dabei ist darauf zu achten, daß errechnete Werte unter 0 mit 0 zu ersetzen, und Werte über 255 mit 255 zu ersetzen sind.

Kontrastnormierung

Häufig müssen geringfügige Beleuchtungsstärkeunterschiede analysiert werden, die das Auflösungsvermögen des Bildauswertegerätes unterschreiten. Um hier feine Unterschiede erkennen zu können, wird der betreffende Grauwertebereich gedehnt.

Dabei wird der minimale und der maximale Grauwert im Bild gesucht und dann das gesamte Bild durch eine mathematische Funktion auf einen Bereich von 0 bis 255 gespreizt. D.h. der kleinste gefundene Wert wird 0 gesetzt, und der größte Wert im Eingangsbild wird auf 255 gesetzt. Die dazwischenliegenden Werte werden durch eine mathematische Funktion errechnet. Durch diese Operation wird erreicht, daß der gesamte Quantisierungsbereich von 0 bis 255 ausgenützt wird und ein kontrastreicheres Bild entsteht.

Histogrammebnung

Ist eine weitere Methode zur Kontrastverbesserung. Histogramme sind Tabellen, die die Häufigkeit der einzelnen Grauwerte in einem Bild repräsentieren. Durch entsprechende Grauwerttransformationen kann man dafür sorgen, daß das Histogramm eines Bildes jeder beliebigen vorgegebenen Verteilung entspricht.

Lokale Kontrastnormierung

Sie ist strenggenommen keine Grauwerttransformation, da die Voraussetzung der Unabhängigkeit der Transformationsfunktion vom Ort des Bildpunktes auf einzelne Bildausschnitte beschränkt wird.

Die lokale Kontrastnormierung wird erreicht indem die Grauwertgrenzen gmax und gmin nicht mehr für das gesamte Bild bestimmt werden, sondern für jeden Bildausschnitt einzeln. Mittels einer solchen lokalen Normierung lassen sich Beleuchtungsgradienten ausgleichen und Schatten beseitigen.

[...]