Ob
Kennzeichenerkennung, automatisierte Qualitätskontrolle (Quality 4.0),
Überwachung von
Produktionsabläufen oder die Prüfung von Barcodes: Die
Auswahl des richtigen Kamerasensors für
industrielle Bildverarbeitung
stellt Machine-Vision-Anwender vor Herausforderungen. Neben der
Beachtung verschiedener Parameter, wie Sensortyp, Schnittstellen,
Auflösung, Bildrate, Belichtungszeit,
Sensorgröße und
Quantenwirkungsgrad spielt auch das Belichtungsverfahren (engl. Shutter)
eine wichtige Rolle.
1. Sensortypen und Shutter
In
seiner originären Funktion schirmt der Verschluss oder Shutter den
Kamerafilm vor Licht ab und
öffnet sich bei Betätigung des Auslösers. Je
nach eingestellter Belichtungszeit, erscheint das Bild dann
heller
(längere Belichtungszeit) oder dunkler (kürzere Belichtungszeit).
Das
gleiche Prinzip findet sich bei den heute statt Filmen gebräuchlichen
CMOS- oder CCD-Sensoren.
Diese lesen Bilder auf elektronischem Weg aus,
indem sie Licht (Photonen) in elektrische Signale
(Elektronen)
umwandeln. Dabei setzt sich jedes Bild aus einer Vielzahl horizontaler
Zeilen zusammen,
die je nach Auflösung wiederum aus einer
unterschiedlichen Zahl an Pixeln bestehen.
CCD-Sensoren
kommen für Anwendungen infrage, die weder hohe Bildraten (max. 30 fps)
noch hohe
Auflösungen (max. 2 MP) benötigen und erreichen auch bei
schlechten Lichtverhältnissen sehr gute
Bildqualität. Aufgrund ihrer
speziellen Eigenschaften wie langer Belichtungszeit bei dunklem Himmel,
hoher Messgenauigkeit oder hoher Datentiefe sind CCDSensoren
insbesondere im wissenschaftlichen
Sektor (z.B. Astronomie, Mikroskopie)
weiterhin interessant.
Sensoren mit CMOS-Technologie kommen dagegen für
Anwendungen in Betracht, die hohe Auflösung
und hohe Bildraten erfordern
und eignen sich daher vor allem für die industrielle Bildverarbeitung
und
den ITS Bereich. Wegen ihrer niedrigen Kosten und der schnellen
Auslesegeschwindigkeit haben sich
CMOS-Sensoren gegenüber CCD-Sensoren
weitestgehend etabliert. Zudem überzeugen sie mit einem
geringeren
Energieverbrauch, geringerer Wärmeproduktion, verbesserter
Quanteneffizienz,
verbesserten Rauscheigenschaften und einem guten
Preis-Leistungsverhältnis.
Die älteren CCD-Sensoren sind
bauartbedingt mit Global-Shutter ausgestattet. Bei den moderneren
CMOS-Sensoren unterscheidet man nach der Art der Belichtung zwischen
Rolling-Shutter- und Global
Shutter-Sensoren.
Ein
Rolling-Shutter-Sensor lichtet ein Bild nicht als Ganzes ab, sondern
zeitlich versetzt nach Zeilen oder
Spalten. Das Auslesen des Bildes
erfolgt also nicht für alle Bild-Pixel gleichzeitig, sondern
sequenziell.
Bei einem Global-Shutter-Sensor findet hingegen eine zeitgleiche Belichtung aller Pixel, also des
Gesamtbildes, statt.
2. Problem: Rolling-Shutter-Effekt
Die Unterschiede von Global-Shutter- oder Rolling- Shutter-Sensoren zeigen sich vor allem bei der
dynamischen Bildaufnahme: Während
ein Global-Shutter-Sensor Bewegtbilder korrekt darstellt, da das
bewegte Motiv als Ganzes abgelichtet wird (Momentaufnahme des ganzen
Bildes), kann es bei Rolling
Shutter Sensoren zu geometrischen
Verzerrungen und Deformierungen kommen (sog. Rolling Shutter
Effekt).
Dieser
entsteht dadurch, dass sich das bewegte Objekt während des
sequenziellen Auslesens bei jeder
Zeile bereits an einer anderen Stelle
auf dem Bildsensor befindet. Bei der Zusammensetzung aller Zeile
zu
einem Bild, erscheint das bewegte Motiv dann krumm oder verzerrt. Bei
Bildaufnahmen unter
Helligkeitsschwankungen (z.B. durch das für das menschliche Auge unsichtbare Flackern künstlicher
Lichtquellen) können
außerdem dunkle und helle Streifen auf dem Bild erscheinen.
Zwar
kann der Rolling-Shutter-Effekt durch schnelle Bildausleseraten,
aufwändige Blitzlicht und
Fremdlichtabschattungs-Konstruktionen oder
nachträgliche Bearbeitung mit entsprechenden
Programmen teilweise
abgemildert werden.
Der zusätzliche Kostenaufwand überwiegt
den grundsätzlichen Preisvorteil von Rolling- gegenüber
Global-Shutter-Sensoren allerdings ein und Blitzlicht- Konstruktionen
führen nur in dunkler Umgebung
zu brauchbaren Ergebnissen, nicht jedoch
bei Dauerlicht.
Für Aufgaben,
die eine hohe Bildgenauigkeit erfordern, ist es also sinnvoll, von
vornherein Global
Shutter- Sensoren zu verwenden, um mangelhafte
Ergebnisse oder nachträgliche Kosten, Probleme
und Zeitaufwand zu
vermeiden.
3. Lösung in der Industrie: Global Shutter
Bei
CMOS-Sensoren sollte man im industriellen Bildverarbeitungsbereich
zwingend auf eine Global-
Shutter-Ausstattung achten, da aus unserer
Sicht nur unter dieser Prämisse sinnvolle Qualitäts- und
Produktionskontrollen mittels Machine-Vision-Lösung denkbar sind.
Gerade unter industriellen Bedingungen (kein Tageslicht, automatisierte und schnelle
Bewegungsabläufe, vibrierende
und sich bewegende Maschinen, Staub etc.) und ebenso bei der
Kennzeichenerkennung im höheren Geschwindigkeitsbereich sind
Rolling-Shutter Kameras sehr
fehleranfällig und führen zu verzerrten
oder unpräzisen Bildern. Der Rolling Shutter-Effekt macht sich
hier also
besonders bemerkbar, erschwert die Bildauswertung oder macht sie sogar
unmöglich.
Im Gegensatz zu
vielen anderen Herstellern bietet Wahtari deshalb bei allen
nCam Varianten die
Möglichkeit der Ausstattung mit Global-Shutter
Sensoren. So kann unsere nCam auch bei
hochfrequenten Prozessen (z.B.
Fließband-Produktion) oder hohen Geschwindigkeiten (z.B.
Verkehrsüberwachung) gestochen scharfe Bilder erzeugen, die von der
integrierten KI problemlos
ausgewertet werden können.
Dabei
setzt Wahtari auf die Bildsensoren der Alvium- Serie von Allied Vision.
Diese beinhaltet zahlreiche
Modelle mit leistungsfähigen Bildsensoren
von 0,5 bis 20.4 Megapixel Auflösung und bildet ein solides
Fundament für höchste Bildqualität. Mit Global-Shutter Sensoren von
Allied Vision vertraut Wahtari
direkt auf der untersten Ebene der Bilderkennung auf starke Qualität um die Erkennungsgenauigkeitbei
der
Bildauswertung trotz gleichbleibender Produktionsgeschwindigkeit zu
optimieren.
