Bildverarbeitung Trend geht zur hochwertigen Farbbilderkennung

Redakteur: Gerd Kucera

Farbkameras legen hinsichtlich Geschwindigkeit und Auflösung zu und ermöglichen ganz neue Anwendungsfelder. Besonders auf der Messe VISION 2007 (6. bis 8. November auf dem Geländer der Neuen Messe Stuttgart) wird der Trend zu mehr Farbe deutlich spürbar sein. Wichtige technische Details, Trend und Vor und Nachteile skizziert dieser Beitrag.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Bisher dominieren zwar immer noch die monochromen Kameras, doch die Praxis zeigt: „Vor fünf Jahren lag der Anteil der Flächen-Farbkameras bei etwa zehn Prozent und hat sich bis heute kontinuierlich gesteigert“, konstatiert Dr. Joachim Linkemann, Produktmanager VC bei Basler Vision Technologies, „das Verhältnis Farb- zu Monochromanwendungen ist bei uns derzeit noch eins zu drei. Besonders gravierende Veränderungen sind bei Zeilenkameras zu beobachten, deren Anteil vor fünf Jahren noch vernachlässigbar war.

Häufig eingesetzt: Einchip-Kameras mit RGB-Farbfiltern

In einer Farbkamera sitzen heute gängige Fotosensoren (CCD-Technik), wie sie auch in Monochrom-Kameras verwendet werden. Doch verwenden sie zur Farberkennung aufgebrachte Farbfilter. Denn die lichtempfindlichen Halbleiterzellen auf dem Chip können nur Helligkeitswerte erfassen, aber keine Farbinformationen. Je nach Qualitätsanspruch und Applikation bietet der Markt 3-CCD-Farbkameras, die je Primärfarbe Rot, Grün und Blau (RGB) einen Sensor integrieren. Hier wird der Lichtstrahl zum Beispiel über ein Prisma geteilt.

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Wesentlich häufiger eingesetzt werden allerdings Ein-Chip-Kameras mit Farbfiltern. Vor jeder einzelnen Fotozelle ist ein winziger Farbfilter in einer der drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau platziert, sodass ein Pixel an dieser Stelle nur die Information einer einzigen Farbkomponente liefern kann. Drei Pixel werden dann zu einem Bildpunkt und diese schließlich zu einem Gesamtbild interpoliert. Die echte Auflösung ist dann also geringer als die tatsächliche Pixelzahl des Sensors.

Differenzierungsmöglichkeiten über die Qualität der Elektronik

Alle Filter auf den Sensoren sind herstellungsabhängig. Allgemein durchgesetzt hat sich bei den meisten Farbsensoren der Bayer-Filter, der pro Bildpunkt durch ein Viererpaket von Pixeln repräsentiert wird: zwei sehen grün, eines rot und eines blau.

Die IBV-Experten wissen genau, worauf es bei der Farbbildverarbeitung ankommt. Die meisten Kamerahersteller verwenden zwar die gleichen Sensoren, doch „Differenzierungsmöglichkeiten zum Wettbewerb ergeben sich über die Qualität der Elektronik, die sich durch ein geringes Rauschen auszeichnet“, meint Linkemann. „Die große Herausforderung sehe ich im De-Mosaiking“, betont Dr. Gerhard Holst, Leiter Research & Development der PCO AG, „wie errechne ich aus den Einzelfarbinformationen ein farbechtes Gesamtbild? Das kann sehr aufwändig sein.“ Die PCO AG arbeitet derzeit an einer neuen CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera, deren Prototyp auf der VISION 2007 Premiere feiern soll.

Die richtige Beleuchtung spielt eine entscheidende Rolle

Die generelle Herausforderung ist für Linkemann (Basler) die optimierte Kombination von Beleuchtung und Optik: „Wenn die Beleuchtung nicht stimmt, kann man auch mit aufwändigen Algorithmen kein gutes Ergebnis erzielen. Das heißt, dass die Kombination Beleuchtung und abbildende Optik ein gutes Bild erfassen müssen, bevor Datentransport und Datenauswertung beginnen.“ So seien zum Beispiel oft die Objektive nicht hinreichend gut oder passend ausgewählt, um die physikalische Auflösung zu erreichen. „Jeden Euro, den man zuvor beim Licht oder der Optik spart“, so die Erfahrung des Basler-Experten, „zahlt man nachher bei der Software mehrfach drauf.“

Die Beleuchtung spielt bei der Farbbildgewinnung eine immense Rolle. Zum einen wird „die Empfindlichkeit eines Sensors durch die Farbfilter beträchtlich reduziert, etwa um 20 bis 30 Prozent“, meint Holst, „was bedeutet, dass man mehr Licht benötigt, das man aber oft nicht hat.“ Zum anderen muss bei hochwertiger Farbbilderfassung oder gar Farbmessung, wenn es darauf ankommt, ein farbechtes Bild zu erhalten, eine Lichtquelle möglichst spektralhomogenes weißes Licht liefern. Das ist zum Beispiel bei der Wafer-Inspektion oder beim Archivieren von Gemälden der Fall. Entweder es kommt speziell ausgesuchtes weißen LED-Licht oder xenonbasierte Hochdrucklampen zum Einsatz.

Farbige Zeilensensoren für bewegte Objekte oder Objektive

Bei der Chromasens GmbH hat das Geschäft mit der Farbbildgewinnung einen Anteil von 90%, „denn wir sind auf Farbe spezialisiert“, betont Geschäftsführer Markus Schnitzlein, „unsere hochwertigen Zeilenfarbkameras sind Eigenentwicklungen und haben sehr hohe Datenraten und Auflösungen in der Scanbreite. Voraussetzung für ihren Einsatz ist, dass sich entweder das Objekt oder die Kamera bewegt, sonst würde stets nur die gleiche Zeile aufgenommen.“

Jede der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau belegt bei einer Tri-linearen-Zeilenkamera (Einchip-Kamera) eine Sensorzeile, die Chromasens mit max. 22.500 Bildpunkten liefert. „Auch die Geschwindigkeit ist wichtig“, betont Schnitzlein, „eine Kameraversion mit 7500 Bildpunkten liefert ein Datenvolumen von 3 x 60 MByte pro Sekunde, was im Markt ziemlich einzigartig ist.“

Bei messtechnischen Aufgaben reichen drei Farbkanäle nicht aus

Und welche Anwendungen verlangen derart hohe Anforderungen? „Wenn Objekte mit einem Meter Breite und einer Auflösung von 40 µm, also etwa 600 dpi, digitalisiert werden sollen, kommen Sie schnell auf 22.500 Bildpunkte“, führt Schnitzlein als Beispiel an, „bei messtechnischen Aufgaben würden allerdings drei Farbkanäle nicht ausreichen, hier nutzt man sechs bis acht oder gar bis zu 16 Farbkanäle.“

Dem Problem der Lampenalterung beugt Chromasens derart vor, dass beim Scannen stets das Spektrum der Lichtquelle miterfasst wird. So lassen sich Farbwerte direkt korrigieren. „Dazu haben alle unsere Farbkameras eine kontinuierliche Weißregelung“, so Schnitzlein, „und weil es auf dem Markt so wenig ausgereifte Beleuchtungssysteme gibt, werden wir zu unseren Kamerasystemen auch eigene Lichtquellen anbieten. Entsprechendes zeigen wir erstmals auf der VISON 2007.“

1-Chip-Sensor versus 3-Chip-Kamera

In vielen Bereichen der industriellen Bildverarbeitung liegen zunehmend höhere Farbqualitätsanforderungen vor. „Aus diesem Grund steigt die Nachfrage nach 3-Chip-Kameras weiter an“, meint Andreas Schaarschmidt, Bereichsleiter Vertrieb und Marketing von Stemmer Imaging. Doch gehen hier die Meinungen der Experten etwas auseinander: „Die 3-Chip-Kameras sind erheblich teurer und erfordern auch spezielle Objektive, argumentiert Basler-Experte Linkemann, „bei Zeilenkameras geht auch hier der Trend klar zu den 1-Chip-Kameras, lediglich bei fallenden, rotierenden oder nicht linear bewegten Objekten sind 3-Chip-Kameras vorzuziehen.“

Der Marktanteil von 1-Chip-Farbkameras wächst

„Für bestimmte Anwendungen, die eine sehr präzise Farbwiedergabe fordern, etwa die Geldscheininspektion, sind 3-Chip-Kameras ein Muß“, ergänzt Ingo Lewerendt, Produktmanager von Allied Vision Technologies, „nachteilig sind neben dem deutlich höheren Preis auch die größeren Abmessungen, was ihre Integration in Kompaktsysteme erschwert. Der Marktanteil der 1-Chip-Farbkameras wächst daher weiterhin, auch deshalb, weil die meisten industriellen Anwendungen die Farbgenauigkeit der 3-Chip-Lösung nicht benötigen. Außerdem kommen Farbsensoren mit immer höheren Auflösungen auf den Markt, sodass die Farbgenauigkeit von 1-CCD-Kameras im Vergleich zu 3-CCD-Modellen immer besser wird.“

Korrektur-Software gleicht Zeilen-Shift-Problem aus

Tri-lineare Zeilenkameras besäßen den Nachteil gegenüber einer 3-CCD-Zeilenkamera, dass sie pro Farbkanal auf unterschiedliche Orte auf dem Objekt schauen. Hier handelt es sich zwar nur um Verschiebungen im Mikrometerbereich, die sich teilweise auch korrigieren lassen, doch vor allem, wenn lokale Beleuchtungsänderungen auftreten, etwa durch Knicke oder Wellen auf einer bewegten Bahnware, machten sich Farbabweichungen bemerkbar. Diese könne man oft nur mit sehr hohem Aufwand bei der Synchronisierung ausgleichen. Verwendet man allerdings 3-CCD-Kameras, sind die Helligkeitsveränderungen in allen drei Kanälen gleichzeitig zu sehen und weder zeitlich noch räumlich versetzt.

Schaarschmidt (Stemmer Imaging): „Die Farbbildpunkte liegen bei 3-Chip-Kameras exakt auf der gleichen optischen Achse. Daraus ergibt sich im Vergleich zu 1-CCD-Kameras eine deutlich höhere Farbqualität für das betrachtete Objekt. JAI bietet eine sehr kompakte 3-CCD-Prisma-Kamera, die beispielsweise über drei Sensoren mit 2048 Bildpunkten in Kombination mit einem Spezialprisma verfügt. Damit liefert diese Kamera eine herausragende Farbauflösung und Farbtreue und erreicht dabei eine maximale Zeilenfrequenz von 19 KHz.“

Doch tri-lineare Farbzeilenkameras werden stetig weiter entwickelt, wie etwa die der neuen Produktgeneration von DALSA. Hier sei der RGB-Zeilenabstand mit nur 30 µm so eng angeordnet, dass das Zeilen-Shift-Problem durch die interne Software-Korrektur spielend ausgeglichen werde.

Farbbilderfassung in der Industrieanwendung

Was den Einsatz von Farbkameras angeht, breitet sich ein vielfältiges Spektrum aus. Dazu zählt unter anderem die Druckindustrie, in der Oberflächen und Druckqualitäten kontrolliert werden. In der Medizintechnik decken Farbildsysteme die Bereiche Mikroskopie und Dermatologie ab. Aber auch im typischen Umfeld des Maschinen- und Anlagenbaus kann die Farbbildverarbeitung große Dienste leisten, etwa im Automobilbau bei der Kontrolle von Lacken oder Leder.

Noch überwiegt die monochrome Bilderfassung

„Oft ist es jedoch so“, meint Linkemann einschränkend, „dass die reine Bildverarbeitung zwar immer noch monochrom funktioniert, der Betrachter für das Visualisieren jedoch mehr und mehr farbige Bilder fordert.“

Auch ist ein Trend zu Multispektralkameras erkennbar. So hat TVI seit kurzem eine 3-CCD-Zeilenkameravariante im Programm, die auch im Nah-Infrarot-Bereich (NIR) empfindlich ist. Schaarschmidt: „Diese Multispektral-Kamera enthält einen speziell konfigurierten, abgeglichenen Strahlteiler, der das Spektrum in Blau, Grün, Rot und NIR aufteilt und auf die drei Zeilensensoren lenkt. Es zeigt sich ein Trend zu deutlich höheren Auflösungen, auch auf Basis von CMOS-Sensoren.

Vor allem schaffen Neuentwicklungen bei Farbzeilenkameras weitere Lösungsmöglichkeiten und regen zu neuen Ideen an. Dabei wird das GigE-Vision-Protokoll für die einfache Integration eine zunehmende Rolle spielen.

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