Warum die Beleuchtung Ihres Bildverarbeitungssystems wahrscheinlich falsch ist (und wie Sie das beheben)

Laut der Association for Advancing Automation (A3) trägt die Bildaufnahme zu 85% des Erfolgs eines Bildverarbeitungssystems bei. Und die Beleuchtung ist der wichtigste einzelne Faktor für die Bildqualität.

Ingenieure verbringen häufig Wochen mit der Auswahl einer Kamera und Minuten mit der Auswahl der Beleuchtung. Sie vergleichen Sensorspezifikationen, diskutieren über Schnittstellenbandbreite und ringen mit Bildraten. Dann greifen sie zu einer Ringleuchte aus dem Regal, richten sie auf das Teil und wundern sich, warum die Software Mühe hat, das benötigte Merkmal zu erkennen.

Beleuchtung ist keine Massenware. Sie ist die wichtigste Designentscheidung in Ihrem Bildverarbeitungssystem und diejenige, die am ehesten falsch ausfällt. Hier sind die fünf häufigsten Beleuchtungsfehler, die wir sehen, und wie Sie jeden davon beheben.

1. Falsche Geometrie: der Winkel ändert alles

Der Winkel, in dem das Licht auf das Objekt trifft, bestimmt, was die Kamera sieht. Das ist kein subtiler Effekt. Dasselbe Teil kann unter derselben Kamera bei unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln völlig anders aussehen. Ein Fehler, der bei einer Geometrie unsichtbar ist, kann bei einer anderen deutlich sichtbar sein.

Hellfeldbeleuchtung (hoher Winkel, typischerweise 30 bis 60 Grad zur Vertikalen) beleuchtet die Oberfläche so, dass glatte, ebene Bereiche Licht zur Kamera reflektieren und hell erscheinen. Sie eignet sich gut für die Allzweckbeleuchtung von Objekten mit relativ hohem Kontrast. Das Problem ist, dass Hellfeld auf glatten Oberflächen spiegelnde Reflexe erzeugt, die das zu prüfende Merkmal überstrahlen können.

Dunkelfeldbeleuchtung (niedriger Winkel, typischerweise weniger als 20 Grad zur Oberfläche) beleuchtet die Oberfläche so, dass glatte Bereiche kein Licht zur Kamera reflektieren und dunkel erscheinen. Oberflächenmerkmale wie Kratzer, erhabene Kanten, Prägungen und Texturen streuen das flach einfallende Licht zur Kamera und erscheinen hell vor dem dunklen Hintergrund. Dies ist die richtige Technik zum Erkennen geometrischer Oberflächenmerkmale und dafür deutlich wirksamer als Hellfeld.

Der Unterschied zwischen Hellfeld und Dunkelfeld am selben Teil ist oft der Unterschied zwischen einem System, das funktioniert, und einem, das es nicht tut. Wenn Sie mit einer steil einfallenden Leuchte Mühe haben, Oberflächenmerkmale zu erkennen, probieren Sie eine flach einfallende Leuchte, bevor Sie komplexere Software einsetzen. Die Verbesserung der Bildqualität ist oft sofort und deutlich.

Dasselbe Teil, aber der verbogene Pin ist im linken Bild deutlich zu erkennen.

2. Umgebungslicht nicht berücksichtigen

Fabrikumgebungen sind keine kontrollierten Lichtstudios. Deckenleuchten mit Leuchtstoff- oder LED-Licht, Fenster mit wechselndem Tageslicht und Reflexionen von benachbarten Anlagen tragen alle zu Umgebungslicht bei, das Ihre strukturierte Beleuchtung stört. Das Ergebnis sind inkonsistente Bilder, sodass das System in der Nachtschicht funktioniert, wenn die Hallenbeleuchtung gedimmt und die Fenster dunkel sind, und dann in der Tagschicht Fehlausschuss produziert, wenn Sonnenlicht durch die Oberlichter fällt.

Es gibt drei Möglichkeiten, mit Umgebungslicht umzugehen, und sie sollten in Kombination und nicht als Alternativen eingesetzt werden.

Kapseln Sie den Inspektionsbereich ab. Eine Haube, Abschirmung oder Einhausung um Kamera und Beleuchtung verhindert, dass externes Licht während der Inspektion das Teil erreicht. Dies ist die einfachste und wirksamste Lösung, und es ist erstaunlich, wie oft sie übersehen wird. Sie muss nicht aufwendig sein. Schon eine einfache Lichtabschirmung aus Blech oder 3D-gedrucktem Kunststoff kann die Konstanz Ihrer Bilder grundlegend verbessern.

Überstrahlen Sie das Umgebungslicht. Verwenden Sie eine Beleuchtung, die deutlich heller ist als die Umgebungsbedingungen, typischerweise durch Blitzen der LED mit hoher Intensität für kurze Dauer, synchronisiert mit der Kamerabelichtung. Während des kurzen Belichtungsfensters dominiert das strukturierte Licht und der Umgebungsanteil wird vernachlässigbar. Das Blitzen verlängert außerdem die Lebensdauer der LEDs, weil sie nur einen Bruchteil der Zeit eingeschaltet sind.

Verwenden Sie optische Filter. Ein Bandpassfilter am Kameraobjektiv, abgestimmt auf die Wellenlänge Ihrer LED-Beleuchtung, blockiert Licht anderer Wellenlängen. Das ist besonders wirksam, wenn das Umgebungslicht breitbandig ist (weißes Deckenlicht oder Tageslicht), Ihr Inspektionslicht aber schmalbandig (zum Beispiel eine rote LED bei 630 nm mit einem entsprechenden roten Bandpassfilter).

Die Netzfrequenz im Vereinigten Königreich beträgt 50 Hz. Wenn Ihre Kamera mit einer ausreichend hohen Bildrate läuft, ist es möglich, Bilder in den kurzen Momenten aufzunehmen, in denen die Deckenbeleuchtung ihre minimale Intensität hat. Das ist keine zuverlässige Lösung für die Produktion, veranschaulicht aber, dass die Störung durch Umgebungslicht ein reales, messbares Problem ist und kein theoretisches.

3. Falsche Technik für die Oberfläche

Unterschiedliche Oberflächen benötigen grundlegend unterschiedliche Beleuchtungsansätze. Dieselbe Beleuchtungstechnik für ein mattes Kunststoffgehäuse und ein glänzendes metallisches Etikett zu verwenden, liefert ein gutes Bild des einen und ein miserables Bild des anderen.

Wenn Sie unsicher sind, welche Technik für Ihre Kombination aus Oberfläche und Merkmal die richtige ist, gibt es nur einen zuverlässigen Weg, das herauszufinden: mit echten Mustern zu testen. Beleuchtung ist ebenso Kunst wie Wissenschaft, und manchmal ist die richtige Antwort nicht die erwartete. Wir haben Fälle erlebt, in denen eine speziell für eine bestimmte Inspektionsaufgabe entworfene Beleuchtungsgeometrie die gesamte Softwareseite trivial gemacht hat.

Dieselbe Szene, die die Effekte von Ring-, koaxialer, Dom- und flacher diffuser Beleuchtung zeigt.

4. Ungleichmäßige Beleuchtung über das Sichtfeld

Eine einzelne punktförmige Lichtquelle oder eine Leuchte, die zu nah am Objekt ist, erzeugt eine ungleichmäßige Beleuchtung über das Sichtfeld. Die Bildmitte ist hell, die Ränder sind dunkel, und die Software muss einen Helligkeitsverlauf ausgleichen, der nicht existieren sollte.

Das ist wichtig, weil die meisten Bildverarbeitungsalgorithmen eine gleichmäßige Beleuchtung voraussetzen. Ein Schwellenwert, der in der hellen Bildmitte funktioniert, versagt an den dunkleren Rändern. Eine Kantenerkennung, die an einer Stelle des Sichtfelds zuverlässig ist, wird an einer anderen verrauscht. Das Ergebnis sind entweder Fehlausschuss (das System sieht Probleme, wo keine sind) oder übersehene Fehler (das System kann echte Probleme in den schlecht beleuchteten Bereichen nicht erkennen).

Die Lösung ist einfach. Verwenden Sie eine Beleuchtung, die eine gleichmäßige Ausleuchtung über das gesamte Sichtfeld erzeugt. Symmetrisch platzierte Balkenleuchten, Domleuchten oder Durchlichter erzeugen alle eine gleichmäßigere Beleuchtung als eine einzelne Punktquelle. Für Zeilenscananwendungen ist eine gleichmäßige Linienleuchte unerlässlich, und das Beleuchtungsprofil sollte über die gesamte Sensorbreite gemessen werden, um die Gleichmäßigkeit zu bestätigen, bevor das System in Produktion geht.

Wenn Sie inkonsistente Inspektionsergebnisse sehen, die je nach Position im Bild variieren, prüfen Sie die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung, bevor Sie die Software ändern. Es ist fast immer ein Beleuchtungsproblem, kein Algorithmusproblem.

5. Dauerlicht verwenden, wenn Sie blitzen sollten

Dauerlicht (die LED ist immer an) ist einfach und günstig. Es ist auch die falsche Wahl für jede Anwendung, bei der sich das Objekt schnell bewegt. Ein dauerhaft beleuchtetes bewegtes Objekt erzeugt Bewegungsunschärfe, und keine noch so aufwendige Softwareverarbeitung kann die Details wiederherstellen, die die Bewegungsunschärfe zerstört.

Blitzlicht (die LED gibt einen kurzen, intensiven Impuls synchron zur Kamerabelichtung ab) friert Bewegung ein, indem es das Objekt nur wenige Mikrosekunden lang beleuchtet. Während dieses kurzen Blitzes bewegt sich das Objekt um eine vernachlässigbare Strecke, und das Bild ist scharf. Das ist dasselbe Prinzip wie ein Blitz an einer herkömmlichen Kamera, angepasst an industrielle Geschwindigkeiten.

Das Blitzen hat einen zusätzlichen Vorteil: Da die LED nur einen Bruchteil der Zeit an ist, kann sie während des Impulses mit einem viel höheren Strom betrieben werden, als sie dauerhaft aushalten würde. Das bedeutet hellere Beleuchtung während des Belichtungsfensters, was kürzere Belichtungszeiten erlaubt, was verbleibende Bewegungsunschärfe weiter reduziert. Außerdem verlängert es die Betriebsdauer der LED, weil die durchschnittliche Verlustleistung geringer ist.

Für jede Anwendung mit bewegten Objekten auf einem Förderband, einer Warenbahn oder einem Rundschalttisch sollte auf den Kameratrigger synchronisiertes Blitzlicht der Standard sein, nicht die Ausnahme.

Die wahren Kosten falscher Beleuchtung

Schlechte Beleuchtung erzeugt nicht nur schlechte Bilder. Sie erzeugt eine Kaskade von Kosten, die sich über die gesamte Lebensdauer des Systems summieren.

Die Software wird komplexer, weil die Algorithmen mehr leisten müssen, um Merkmale aus einem verrauschten, inkonsistenten Bild zu extrahieren. Die Entwicklungszeit steigt, weil der Ingenieur ein Beleuchtungsproblem in der Software statt in der Hardware löst. Die Fehlausschussraten steigen, weil das System echte Fehler nicht zuverlässig von Beleuchtungsartefakten unterscheiden kann. Das System wird fragil, weil jede kleine Änderung der Umgebungsbedingungen oder der Teileausrichtung die sorgfältig abgestimmte Software zum Scheitern bringt. Und das Engineering-Team verbringt Zeit mit der Fehlersuche an einem Algorithmusproblem, das eigentlich ein Beleuchtungsproblem ist.

Die Behebung ist fast immer günstiger als die Notlösung. Eine bessere Leuchte, ein anderer Winkel, eine einfache Einhausung oder der Wechsel von Dauer- zu Blitzlicht kann ein kämpfendes System in ein zuverlässiges verwandeln. Die Kosten der Beleuchtungsänderung bemessen sich in hunderten Pfund. Die Kosten der Software-Notlösung bemessen sich in Wochen an Ingenieurszeit.

Überzeugen Sie sich selbst

Der beste Weg, die Auswirkung der Beleuchtung auf Ihre konkrete Anwendung zu verstehen, ist, sie zu sehen. Die Insights-Labore von Clearview sind vollständig mit Beleuchtung von Advanced Illumination und ProPhotonix in jeder Geometrie und Wellenlänge ausgestattet, darunter Ringleuchten, Balkenleuchten, Domleuchten, Durchlichter, axiale diffuse Leuchten und Sonderkonfigurationen. Wir können Hellfeld gegen Dunkelfeld, Dauerlicht gegen Blitzlicht und verschiedene Wellenlängen an Ihren tatsächlichen Produktionsmustern demonstrieren.

Wenn Sie die Beleuchtung für ein neues Projekt spezifizieren oder ein System beheben, das nicht wie erwartet arbeitet, ist eine Beleuchtungsdemo die wertvollste Stunde, die Sie investieren können.

Buchen Sie eine Beleuchtungsdemo im Insights-Labor: info@clearview-imaging.com | +44 (0)1844 217270