Skript zur Vorlesung Technische Bildverarbeitung Prof. Dr.

Skript zur Vorlesung Technische Bildverarbeitung Prof. Dr.-Ing. Reiner Dudziak
2. Technische Bildverarbeitung
2.1 Begriffsdefinition
2.2 Übersicht
2.3 Beleuchtungssysteme
Dieses Skript ist eine Ergänzung zu der Vorlesung “Technische Bildverarbeitung“.
Es ist kein Lehrbuch.
Dieses Skript darf ausschließlich als begleitendes Lehrmittel für die Vorlesung
genutzt werden.
Andere Nutzungen sind mit den Verfassern abzuklären.
Vervielfältigung, Übersetzungen, Mikroverfilmung und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen
Systemen (auch auszugsweise) ist nur nach Rücksprache und mit Erlaubnis der Verfasser zulässig.
In diesem Skript werden Produkte einzelner Firmen als Beispiel verwendet. Die Auswahl dieser Produkte stellt keine
Bewertung dar, sondern erfolgte ausschließlich nach didaktischen Gesichtspunkten.
Die angegebenen Preise sind als Orientierungshinweis zu sehen.
Bei Fragen, Kritik, Verbesserungsvorschlägen :
Dipl.-Ing. Dirk Mohr
Raum C2 – 05
Tel.: 0234 – 3210454
email: [email protected]
Bochum, den 30.09.2010
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2. Technische Bildverarbeitung
2.1 Begriffsdefinition
Inhalt dieser Lehrveranstaltung ist die Technische Bildverarbeitung wie sie vom
VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.) definiert ist :
Technische (Industrielle) Bildverarbeitung ist die Technologie des künstlichen Sehens. Kamera und Computer
verleihen Maschinen die Fähigkeit, zu sehen, zu erkennen und die richtigen Entscheidungen zu treffen.
Die von der Kamera aufgenommenen Daten werden von einem Rechner ausgewertet, die relevanten Informationen und
die Ergebnisse an die Steuerung weitergegeben, die entsprechend reagieren kann.
Typische Aufgabenstellungen der Technischen Bildverarbeitung sind
- Oberflächenkontrolle
z.B. Untersuchung von Blechen auf Kratzer und Beschichtungsfehler
- Vollständigkeitskontrolle
z.B. Vorhandensein von Bauteilen auf elektronischen Platinen (komplette Bestückung)
- Messtechnik
z.B. Ermittlung der Durchmesser und der Fasenwinkel bei Edelstahlrohren
- Identifikation
z.B. Unterscheidung von Werkstückvarianten zur Prozesslenkung
- Positionserkennung (Robot Vision)
z.B. Identifikation und Lageerkennung von Schrauben in einem ungeordneten Schraubenvorrat zur montagegerechten
Roboterlenkung
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2.2 Übersicht
Ein Technisches Bildverarbeitungssystem besteht in der Regel aus folgenden Komponenten:
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2.3 Beleuchtungssysteme
Übersicht
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2.3 Beleuchtungssysteme
2.3.1 Technologie
2.3.1.1 Glühlampen, Glühfadenlampe, Glühbirne
-Elektrischer Leiter wird durch elektrischen Strom aufgeheizt und emittiert,
dadurch thermische Strahlung mit Komponenten im sichtbaren Bereich
- Günstiger Einkaufspreis, hohe Verfügbarkeit aber entscheidende Nachteile für
die TBV :
- schlechter Wirkungsgrad (<10%, max. 15 lm*/W)
- große Wärmeentwicklung
- keine großen Formvarianten
- abgegebenes Licht hat keine Zeitkonstanz bzgl. Helligkeit und
Wellenlänge
- kaum triggerbar
- erschütterungsempfindlich
- relativ kurze Lebensdauer (max. 1000h)
* Lichtstrom Lumen lm : Gesamte von einer Strahlungsquelle ausgesandte sichtbare
Strahlung
Abb. 2.3.1 Glühlampe 230 V,
60 W, 720 lm, E27-Sockel
http://de.wikipedia.org/wiki/
Halogenlampe
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2.3.1.2 Halogenlampe
- Aufbau und Funktion ähnlich Glühlampe. Zusatz der Halogene Brom oder Jod steigert die Lebensdauer
und verbessert den Wirkungsgrad
- Günstiger Einkaufspreis, hohe Verfügbarkeit aber entscheidende Nachteile für die TBV :
- schlechter Wirkungsgrad (< 16%, max. 25 lm/W)
- große Wärmeentwicklung
- keine großen Formvarianten
- abgegebenes Licht hat keine Zeitkonstanz bzgl. Helligkeit und Wellenlänge
- kaum triggerbar
- erschütterungsempfindlich
- Lebensdauer max. 4000h
Abb. 2.3.2 Halogen - Glühlampe
http://de.wikipedia.org/wiki/Halogenlampe
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2.3.1.3 Leuchtstofflampe, Leuchtstoffröhre
- Niederdruck – Gasentladungslampe, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist.
Beim Anlegen einer Zündspannung wird die Gasfüllung ionisiert und somit leitfähig, es entsteht ein Plasma.
Das Plasma emittiert überwiegend UV – Strahlung.
Der Leuchtstoff leuchtet bei UV – Bestrahlung im sichtbaren Bereich.
Eigenschaften :
- Günstiger Einkaufspreis, hohe Verfügbarkeit (eingeschränkt)
- Wirkungsgrad (bis 100 lm / W), Leistung von Baulänge abhängig
- geringe Wärmeentwicklung
- in verschiedenen Formen erhältlich
- abgegebenes Licht hat keine Zeitkonstanz bzgl. Helligkeit und Wellenlänge
- nicht triggerbar
- Lebensdauer deutlich höher als bei Glühlampen max. 20.000h (stark abhängig von Umgebungstemp.)
- Vorschaltgerät erforderlich
- mit Elektronischem Vorschaltgerät (EVG) kaum Lichtschwankungen bei Zündfrequenz von 40 KHz
Abb. 2.3.3 Leuchtstoffröhren, Stab- und
Ringform
Abb. 2.3.4 Runde Leuchtstoffröhren mit
Fassung zur direkten Objektivmontage
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2.3.1.4 LED (Light Emitting Diode), Leuchtdiode, Lumineszenz-Diode
- Halbleiter-Bauelement, das bei Stromdurchfluss Licht in einem zum Teil eng begrenzten Spektralbereich abstrahlt.
Eigenschaften : - kein Temperaturstrahler, sehr hoher Wirkungsgrad (max. 100 lm / W )
- geringe Wärmeentwicklung (bezogen auf die Lichtleistung)
- sehr schmalbandiger Spektralbereich
- Spektralbereich des emittierten Lichts lässt sich durch Herstellungsprozess
bestimmen z. B. rot, infrarot, grün, Mischfarbe weiß
- schmalbandiges Licht erlaubt effektiven Einsatz von optischen Komponenten wie z.B. Filter
- sehr gut triggerbar (Modulationsfrequenz bis zu 100 MHz)
- bei geeigneten Impulspausenzeiten und Maßnahmen zur Ableitung der Verlustwärme lassen sich LED‘s
mit einem mehrfachen des Nominalstroms betreiben (Blitzbetrieb)
- unempfindlich gegen Erschütterung
- Lebensdauer sehr hoch max. 100.000h
- lässt sich in fast beliebiger Bauform kombinieren / anordnen
- keine “Baumarktware“, meist anbieterspezifisch
Abb. 2.3.5 Spektren von LED‘s
Quelle : http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode
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Bauform 4TE IR
Aktive Fläche 224 * 25mm mm
bei max. 10% Inhomogenität
Farbe IR 880 nm
16 LED‘s
Preis ca. 340 EUR
<-
Abb. 2.3.6 Verschiedene Bauformen von LED - Beleuchtungssystemen
Quelle : Büchner Lichtsysteme GmbH
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Abb. 2.3.7 Modulares Beleuchtungssystem mit segmentweiser Beschaltung
Quelle : Büchner Lichtsysteme GmbH
Abb. 2.3.8 Beleuchtungssystem mit LED – Tunnelkonzept für homogene Ausleuchtung von z.B. Rohren und
Bolzen
Quelle : Büchner Lichtsysteme GmbH
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2.3.1.5 Laserdioden
Verwandt mit LEDs mit folgenden zusätzlichen Eigenschaften:
- Licht mit sehr schmalbandigem Spektrum (monochromatisch)
- Licht kohärent. Kohärente Lichtwellen schwingen alle in die gleiche Richtung,
mit gleicher Frequenz und mit gleicher Phase. Dies ergibt einen sehr intensiven Strahl
mit sehr “reinem“ Licht
- Licht polarisiert (schwingt nur in einer Richtung), dadurch lassen sich störende Reflexionen leicht ausfiltern
- Punktstrahler mit Kollimator, sehr hohe Strahlbündelung
- sehr hohe max. Einspeiseleistung , dadurch bei sehr gutem Wirkungsgrad sehr hohe Lichtleistung
- monochromes Licht erlaubt sehr effektiven Einsatz von optischen Komponenten wie z.B. Filter
- sehr gut triggerbar (Modulationsfrequenz bis zu >10 GHz)
- Lebensdauer sehr hoch max. 100.000h
- keine “Baumarktware“, anbieterspezifisch
Abb. 2.3.9 Gegenüberstellung des Spektralbereichs einer LED und einer
Laserdiode gleicher Nennwellenlänge
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Eine typische Anwendung von Laserdioden ist die sog. Lasertriangulation. Dabei projiziert ein Laser unter einem
bekannten Winkel eine Linie auf ein Objekt, dessen Oberfläche vermessen werden soll.
Eine CCD- oder CMOS-Kamera registriert das Streulicht. Kennt man die Strahlrichtung und den Abstand
zwischen Kamera und Laser, kann damit der Abstand Objektoberfläche zu Kamera bestimmt werden.
Die Verbindung Kamera-Laser sowie die beiden Strahlen vom und zum
Objekt bilden ein Dreieck, daher der Begriff Triangulation.
Zur flächigen Vermessung wird das Verfahren “Codierter Lichtansatz“ bzw. Lichtschnittverfahren angewendet.
Dabei wird eine große Anzahl von Linien als engmaschiges Netzmuster auf ein Objekt projiziert und
von einer Kamera aufgenommen. Über eine spezielle Software lässt sich das Abbild auswerten
und sehr genau Höhenunterschiede detektieren.
Abb. 2.3.10 Lasertriangulation zur Vermesssung von Werkstücken
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Abb. 2.3.11 3D - Bodyscanner
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Abb. 2.3.12 Entwicklung von Größentabellen
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Dreidimensionale Erfassung von Objekten durch projizierte Farbmuster
Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten, bei dem
- auf das zu erfassende Objekt ein Farbmuster mit bekannten Projektionsdaten projiziert wird,
- das auf das Objekt projizierte Farbmuster mit einer Kamera erfasst wird, und
- das von der Kamera erzeugte Abbild in einer Auswerteeinheit zu dreidimensionalen Objektkoordinaten des Objekts
verarbeitet wird (Projektionsdaten sind im Farbmuster mit Hilfe eines redundanten Codes codiert).
Quelle und Patent : Siemens AG (DE)
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2.3.2 Anordnung von Beleuchtung und Kamerasystem in Bezug auf das zu betrachtende Objekt
Je nach Aufgabenstellung ist es nötig, eine geeignete Anordnung der verwendeten Komponenten
Lichtquelle und Kamerasystem zu finden. Bei der Erstellung einer Lösung in der Technischen Bildverarbeitung
ist oftmals die Anordnung der Komponenten entscheidender als die Komponenten selbst.
Im Folgenden werden Varianten aufgezeigt und mit Aufnahmen dokumentiert.
Die hierbei verwendeten Komponenten sind :
Abb. 2.3.13 Kamerasystem DVT Legend
520 mit integrierter ringförmiger roter
LED - Beleuchtung
Abb. 2.3.14 LED Beleuchtung mit
blauen LED‘s
Büchner Lichtsysteme TopLight L
Abb. 2.3.15 2 EUR Stück und
Alublech mit Folie beklebt
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2.3.2.1 Durchlicht
Das zu betrachtende Objekt befindet sich zwischen Lichtquelle und Kamera. Das Licht wird im Bereich des Objekts
“unterbrochen“. Es wird ein Schatten (Kontur) abgebildet. Sehr gut bei Vermessungsaufgaben, da eindeutige Trennung
von Objekt und Hintergrund. Die Oberfläche wird nicht abgebildet
Abb. 2.3.16 Durchlicht - Anordnung
Abb. 2.3.17 Durchlicht – Abbild
Schatten, Kontur
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2.3.2.2 Auflicht
Lichtquelle und Kamera befinden sich in Bezug auf das zu betrachtende Objekt auf der gleichen Seite .
Das Licht wird von der Oberfläche des Objekts und des Hintergrunds reflektiert.
Es wird ein Abbild des Objektes in verschiedenen Grautönen erzeugt.
Die Oberfläche ist zu erkennen, die Kontur wird nicht so klar dargestellt. Anwendung bei z. B. Oberflächeninspektionen.
Abb. 2.3.18 Auflicht – Anordnung mit
Ringbeleuchtung
Abb. 2.3.19 Auflicht – Abbild, Oberfläche, Struktur zu
erkennen
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2.3.2.2.1 Gerichtetes Licht (Hell- und Dunkelfeld)
.
Die Lichtquelle strahlt das Licht in einer Vorzugsrichtung ab. Das Objekt wird aus einer Vorzugsrichtung beleuchtet.
Durch die Oberflächenstruktur (Erhöhung bzw. Vertiefung) des Objekts bilden sich Schatten bzw. hellere Bereiche,
die bestimmte Merkmale deutlich hervortreten lassen.
Verstärkung dieses Zusammenhangs durch Anwendung von Hell- bzw. Dunkelfeldanordnungen.
Hellfeld
Das Kamerasystem befindet sich im Strahlengang (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) des reflektierten Lichts
Abb. 2.3.20 Auflicht – Hellfeld
Anordnung mit LED – Leuchte
Abb. 2.3.19 wurde unter kleinerem Winkel
aufgenommen, deshalb kleine Elipse
Abb. 2.3.21 Auflicht – Hellfeld Abbild
Oberfläche, Strukturelemente betont
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Dunkelfeld
Das Kamerasystem befindet sich nicht im Strahlengang (Einfallswinkel != Ausfallswinkel) des reflektierten Lichts.
Abb. 2.3.23 Auflicht – Dunkelfeld Abbild
Strukturelemente kaum sichtbar
Abb. 2.3.22 Auflicht – Dunkelfeld
Anordnung mit LED - Leuchte
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2.3.2.2.2 Diffuses Licht
.
Das Objekt wird aus allen Richtungen (möglichst) gleichmäßig beleuchtet. Es treten kaum Schatten auf. Es entsteht ein
Abbild, dessen Graustufen durch Oberflächeneigenschaften und nicht durch Höhenunterschiede verursacht werden. Als
Beleuchtungsquelle z.B. Raumlicht (schwer ,oftmals unmöglich, gleichmäßig auszuleuchten) oder spezielle
Beleuchtungssysteme z.B. Abb. 2.3.8 Leuchttunnel.
Abb. 2.3.25 Auflicht – Diffus Abbild
Deutliche Reflexionsunterscheidung
Abb. 2.3.24 Auflicht – Diffus
Anordnung mit “Raumlicht“
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2.3.2.3 Weitere Beispiele
Abb. 2.3.26 Alu – Blech mit integriertem Ringlicht
beleuchtet. Einzelne LED‘s werden gespiegelt.
Abhilfe durch Diffusorscheibe vor LED‘s
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Abb. 2.3.27 Alu – Blech mit blauer LED - Leuchte beleuchtet (Dunkelfeld). Beide Bilder wurden unter genau gleichen
Bedingungen (Belichtungszeit, Anordnung ...) aufgenommen. Das Blech wurde lediglich um 900 Grad gedreht. Da das Blech
vom Walzen eine (mit dem menschlichen Auge kaum wahrnehmbare) Struktur hat, wird das Licht unterschiedlich reflektiert.
Dass die Parameter nicht verändert wurden, ist auch an dem Barcode zu sehen, der in fast gleicher Intensität dargestellt wird.
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Weitere Informationen finden Sie hier :
http://www.buechner-lichtsysteme.de/
http://www.theimagingsource.com/de/resources/whitepapers/
http://www.zlaser.de
http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode
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