Digitale Bildverarbeitung

Digitale Bildverarbeitung
OPTONET Mastertour bei
Allied Vision Technologies
Technische Universität Ilmenau
Fachgebiet Qualitätssicherung
Dr.-Ing. Maik Rosenberger
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Inhalt
1
Grundbegriffe der Bildverarbeitung
2
Anwendungen der Bildverarbeitung
3 Bildsensoren und Bildaufnahme
4 Beleuchtungstechnik
5 Digitale Bildsignalverarbeitung
6 Messtechnik & Bildverarbeitung
2
1. Grundlagen - Teilgebiete der Bildverarbeitung
Die Bildverarbeitung ist eine Querschnittswissenschaft. Die wichtigsten Disziplinen, die
unmittelbar mit der industriellen Bildverarbeitung in Beziehung stehen sind:
Optik
Optische Abbildung, Optische Vorverarbeitung
Halbleiterphysik
Lichtwandlung (Bildsensoren), Sensorintegration
Schaltungstechnik
Hardware Bildaufnahme und Bildvorverarbeitung
Hardware zur Bild- und Signalverarbeitung
Informatik
Software zur Bildauswertung
Messtechnik
klassische Messverfahren, Kalibrierung berührungsloser Messeinrichtungen
Biologie
Vorbild des menschlichen Auges, Bilderkennung im Gehirn
3
1. Grundlagen - Bereiche der Bildverarbeitung
Teilgebiete des industriellen Einsatzes der Bildverarbeitung


Automatisierung visueller Prüfvorgänge
Berührungslose dimensionelle Messtechnik
(MESSUNG)
4
(ERKENNUNG)
2. Berührungslose Messtechnik
Taktiles Optisches Korrdinatenmessgerät Zeiss
Spectrum 700, Videooptischer Sensor ViScan
5
2. Berührungslose Messtechnik
Optisch-taktiles Koordinatenmessgerät
Mahr UNI-VIS 250
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2. Technische Erkennung
Personenidentifikation
Besatzanalyse von Getreide
Fahrspurerkennung
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3. Bildverarbeitung Ablauf
Speicherung
/
Visualisierung
Optische Abbildung
Bildwandlung
Vorverarbeitung
Verarbeitung
i.O.
/
n.i.O
Analoge
Bilddaten
Informationsreduktion
8
Digitale
Bilddaten
3. Grundlagen der Bildwandlung
Innerer
photoelektrischer
Effekt:
CCD
- integrierend
- empfindlich
- rauscharm
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• Generierung von
Landungsträgern durch
einfallende Photonen
• Kein Rückschluss auf die
Wellenlänge des Photons
möglich, dass den Effekt
ausgelöst hat
C-MOS
- proportional
- dynamisch
- kostengünstig
3. Grundlagen der Bildwandlung
Zeile
(n x 1)
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Matrix
(n x m)
3. Grundlagen der Bildwandlung
Spektrales Verhalten von Bauelementen
Relative
Empfindlichkeit
CCD Wandler
(Silizium)
menschliches
Auge
400
600
800
Wellenlänge [nm]
11
1000
1200
3. Grundlagen der Bildwandlung - Farbbildaufnahme
Getrennte Aufnahme unterschiedlicher Spektralbereiche
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3. Grundlagen der Bildwandlung
Farbauszüge Bayer-Layout nach Interpolation
Farbmatrix mit
Mosaikfilter
(Bayer-Layout)
Farbauszug Rot
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Farbauszug Grün
Farbauszug Blau
Rot
Grün
Blau
Rot interpoliert
Grün interpoliert
Blau interpoliert
4. Beleuchtungsprinzipien
Beleuchtungsarten
Einteilung der Beleuchtung nach Anordnung der Lichtquellen
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4. Beleuchtungsprinzipien
Hellfeld-Beleuchtung
(direkt reflektierte und gestreute Strahlung tragen zum Bildergebnis bei)
Beleuchtung
Kamera
Objekt
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4. Beleuchtungsprinzipien
Dunkelfeld - Beleuchtung
(nur gestreute Strahlung trägt zum Bildergebnis bei)
Kamera
Objekt
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Beleuchtung
4. Beleuchtungsprinzipien
Prinzip des koaxialen Auflichts
Bildsensor
Lichtquelle
Halbdurchlässiger
Spiegel
Objektiv
Prüfobjekt
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5. Digitale Bildsignalverarbeitung - Bildvorverarbeitung
Vergleich der Histogramme von zu hellen und zu dunklen Bildern
Bild normal
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Bild zu hell
Bild zu dunkel
5. Digitale Bildsignalverarbeitung - Bildvorverarbeitung
Bildbeispiel zur Binärisierung
binäres Bild
Originalbild
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5. Digitale Bildsignalverarbeitung - Bildvorverarbeitung
Digitale Filter in der Bildverarbeitung
Übersicht zu Filteroperationen
Digitale Filter in der Bildverarbeitung
Operationen
im
Ortsbereich
ortsinvariante
Filter
-Mittelwertfilter
- Roberts-Gradient
- Sobel-Filter
-Laplace-Filter
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Operationen
im
Ortsfrequenzbereich
ortsabhängige
Filter
nichtlineare
-ortsabhängiger
- Median-Filter
Filterkern
Filter
mittels
diskreter Fouriertransformation
-Tiefpaßfilter
-Hochpaßfilter
-differezierende Filter
Adaptive
Filter
Optimalfilter
optimale
Suchfilter
- basieren auf der
Schätzungstheorie
- z.B. Wienerfilter,
Kalmanfilter
-Gewichtsfunktion
spricht auf das
Eingangssignal
optimal an
- h(x,y) = f(-x,-y)
5. Digitale Bildsignalverarbeitung - Bildvorverarbeitung
Laplace-Filter (mit Viererumgebung)
Filterkern:
0 1 0 
HL1  1  4 1
0 1 0
Wirkung:
Der Laplace – Filter ist ein linearer Filter, der zur
richtungsunabhängigen Hervorhebung
der Kanten eingesetzt wird.
gefiltertes
Bild
Originalbild
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5. Digitale Bildsignalverarbeitung – Software
Funktionskomplexe
Funktionskomplex
Bildaufnahme
Overlay
Livebild
Marker
Einzelbild
ROI
Bildverbesserung
Ablaufautomatisierung
Filter
interaktiv lernen
Abarbeitung
Bildfolge
Bildverwaltung
Bildzugriff
Bildauswertung
Laden
Pixel / Bereiche
Fokus
Speichern
lesen / schreiben
Mustererkennung
Segmentierung
Kantenextraktion
Koordinatenantastung
Datenverwaltung
Zugriff
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Schnittstellen
6. Messtechnik und Kantenortskriterien
Approximation des Kantenverlaufes
Typischer Grauwertverlauf eines Dunkel-Hell-Übergangs mit errechneter Kantenfunktion und
subpixelgenauer Kantenortbestimmung nach dem Schwellenwertverfahren
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6. Messtechnik und Kantenortskriterien
Subpixelgenaue Bestimmung des Kantenortes
Übersicht Kantenortskriterien
Strukturortsdefinitionen
Ortskriterien
Schwellwertkriterien
Differentielle Kriterien
Korrelationskriterien
Integrale Kriterien
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6. Kantenortskriterien - Beispiel Schwellwert
Schwellenwertkriterien
F
l
ER
Zk
E R = E(Z k )
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6. Kantenortskriterien - Kantenantastung
Ø 12.43
26
6.2 Beispiele für Bildverarbeitungssysteme – Online
Federmessung
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6.2 Beispiele für Bildverarbeitungssysteme
Prüfung von Maß und Oberfläche von Rohren direkt an der Extrusionsmaschine
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6.2 Beispiele für Bildverarbeitungssysteme
• Als Defekt gilt eine
Helligkeitsabweichung von der
homogenen Oberfläche des Rohres.
• Einfacher Schwellwert nicht
ausreichend
• Beurteilung über Toleranzband
• Zusätzlich Messung des Durchmessers
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