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Ultrahohe Auflösung für die industrielle Bildverarbeitung

Viele industrielle Prüfanwendungen wie die Inspektion von Flachbildschirmen und Leiterplatten oder das Einscannen von Dokumenten erfordern den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen mit ultrahoher Auflösung, um das Objekt mit der erforderlichen Detailgenauigkeit abbilden zu können. Mit jeder neuen Flachbildschirmgeneration steigen die Pixeldichte und die Anforderungen an eine noch höhere Auflösung und Empfindlichkeit für Qualitätsprüfungen. Gleichzeitig muss jedoch eine Verlängerung der Prüfzeiten vermieden werden. Es gibt unterschiedliche Ansätze, um dieses Thema anzugehen.

An Bildverarbeitungssysteme in modernen Fertigungsstraßen werden immer höhere Anforderungen in Bezug auf die Geschwindigkeit und Auflösung gestellt. Dank neuester Fortschritte in der CMOS- und CCD-Technik sind dabei heute Bildsensoren mit immer mehr Pixeln erhältlich. Diese Sensoren bieten eine immer bessere räumliche Auflösung bei gleichbleibender oder sogar verbesserter Bildrate.

Die Anzahl der verfügbaren Pixel ist jedoch nicht der einzige Gesichtspunkt, den es zu bedenken gilt. Bildsensoren, wie sie vor allem für Smartphones in Massenproduktion hergestellt werden, weisen üblicherweise eine Auflösung im Bereich von 12 bis 16 Megapixeln auf. Die Sensoren selbst sind jedoch sehr klein und wurden speziell für den stark kostengetriebenen Consumer-Markt entwickelt. Dies bedeutet auch, dass diese Sensoren sehr kleine Pixel haben und somit weniger Licht erfassen sowie über ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis verfügen. Alleine schon aus diesem Grund eignen sie sich nicht für den Einsatz in der industriellen Bildverarbeitung.

Nicht nur die Pixelzahl zählt

Darüber hinaus ist die Möglichkeit, die Belichtungskontrolle im Chip zu integrieren, bei diesen Sensoren begrenzt. Deshalb sind sie in der Regel mit einem Rolling-Shutter-System ausgestattet, bei dem nicht alle Pixel gleichzeitig belichtet werden. Dies mag der Nutzer von privaten Digitalkameras bei einfachen Schnappschüssen nicht unbedingt wahrnehmen, in der industriellen Bildverarbeitung jedoch sind neben der Pixelzahl noch sehr viele andere Merkmale ausschlaggebend.

Dazu gehören u.a. die Pixelgröße und -form, die Empfindlichkeit, die Bildrate, die Möglichkeit der vollen Belichtungskontrolle, die Triggereigenschaften, der dynamische Bereich, die spektrale Empfindlichkeit, Bildvorverarbeitungsoptionen, die Fähigkeit zum Partial Scan, die Multi- Anzeige von unterschiedlichen Bereichen, die Sequenzsteuerung und weitere Eigenschaften.

Zudem zeichnen sich Industriekameras durch die eingesetzte Schnittstelle aus, mit der die Bilddaten zur Messung und Analyse an den Host übertragen werden (z.B. CameraLink, GigE Vision, USB3 Vision, CoaXPress, CameraLink HS usw). Der Laie kann sich den enormen Preisunterschied zwischen Handys mit Kamera und industriellen Bildverarbeitungskameras mit hoher Auflösung nicht erklären, doch er ist bei genauerem Hinsehen begründbar: Die deutlich geringeren Stückzahlen in der Herstellung und die größeren Bildsensoren für die Bildverarbeitung rechtfertigen ein vollkommen anderes Preisniveau.

Wie viele Pixel sind ausreichend?

Regelmäßig werden neue Kameras für die industrielle Bildverarbeitung auf den Markt gebracht, die sich oft durch höhere Auflösungen oder Bildaufnahmegschwindigkeiten auszeichnen. Einige der zuletzt angekündigten hochauflösenden Flächenkameras sind die AV Prosilica GT6600 mit 29 Megapixel Auflösung und die mit einer thermoelektrischen Peltier-Kühlung ausgestattete Vieworks VP-29MC-M/C-5. Beide Kameras verfügen über Sensoren mit 6576 x 4384 Pixeln. Der dänische Kamerahersteller JAI führt das 20-Megapixel-Modell Spark SP-20000C-PMCL mit einer Auflösung von ebenfalls stattlichen 5120 x 3840 Pixel im Programm. Was aber, wenn die zu lösende Anwendung eine noch höhere Pixelzahl erfordert?

Eine Lösung könnte darin bestehen, mehrere Kameras zu verwenden, um eine Reihe von Bildern zu produzieren, die dann zu einem Bild zusammengefügt werden. Bei Verwendung einer einzelnen Kamera kann als zweite Option entweder das Objekt oder die Kamera bewegt werden, um eine Anzahl von Bildern aufzunehmen, die dann ebenfalls ein zusammengesetztes Bild ergeben. Eine dritte Möglichkeit ist die Anwendung der so genannten Pixel-Shift-Technologie, die später genauer erläutert wird.

Wenn Bilder zeilenweise entstehen

Zeilenkameras stellen einen weiteren Lösungsansatz dar, um extrem hohe Auflösungen zu erzielen. Diese Kameras verwenden in ihrer einfachsten Form einen Sensor mit einer einzelnen Pixelreihe. Typische Auflösungen liegen dabei im Bereich von 512 x 1 bis 16384 x 1 Pixel. Zeilenkameras erzeugen (typischerweise unter Zuhilfenahme eines Frame Grabbers) aus mehreren Zeilen ein zusammengesetztes Flächenbild, wobei entweder die Kamera oder das Objekt bewegt wird.

Da bei Zeilenkameras lediglich die Breite des resultierenden Bildes festgelegt ist, ist es möglich, nicht nur ein hochauflösendes Bild zu erzeugen, sondern auch das Bildseitenverhältnis passend zum Objekt auszuwählen. Flächenkamerasensoren haben normalerweise ein Bildseitenverhältnis von 4:3, 16:9 oder 1:1, wohingegen Bilder von Zeilenkameras nicht auf diese Werte beschränkt sind. Je nach Anwendung erlauben Zeilenkameras die Erzeugung von im Prinzip unendlich langen Bildern, indem die aufgenommenen Einzelzeilen zu flächigen Bildern zusammengesetzt werden. Die Auflösung dieser Bilder kann auf diese Weise in Abhängigkeit von Parametern wie der Vorschubgeschwindigkeit oder des Abstands zwischen Objekt und Zeilenkamera extrem hoch werden.

Zwei Schlüsselfaktoren für die Verwendung von Zeilenkameras sind Bewegung und Ausrichtung. Die Zeilenfrequenz der Kamera muss auf die Geschwindigkeit des Objektes, bzw. der Abbildung auf den Sensor abgestimmt werden, um Verzerrungen im Bild zu vermeiden. Bei Anwendungen mit variierender Objektgeschwindigkeit erfolgt die Synchronisierung zwischen Objekt und Bilderfassungssystem mit Hilfe eines Encoders, der in der Regel am Transportsystem montiert ist und dessen hochfrequente Signale von der Kamera in Zeilentriggersignale übersetzt werden. Ebenso wichtig ist die Ausrichtung der Kamera, denn wenn der Sensor der Zeilenkamera nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet ist, wird die Auflösung reduziert.

Eine weitere Entwicklung, die dem Prinzip der Zeilenkameras ähnelt, sind die so genannten Contact Image-Sensoren, kurz CIS, wie sie von Mitsubishi Electric über STEMMER IMAGING vertrieben werden. Mit diesen Produkten hat der japanische Weltkonzern erstmals ein Produkt entwickelt, das speziell für den Einsatz in der industriellen Bildverarbeitung konzipiert ist. Diese Sensoren sind für den Einsatz in allen Bereichen prädestiniert, in denen flache Objekte und Materialien schnell und mit hoher Auflösung geprüft werden sollen, z.B. bei der Inspektion von Leiterplatten, Druckerzeugnissen oder LCD-Feldern. Die Produkte der CIS KD-Serie decken Scanbreiten von 309, 617 und 926 mm ab und arbeiten mit einer Farbauflösung von 600 dpi sowie einem Arbeitsabstand von 12 mm. Ihre Zeilenfrequenz von 23 kHz erlaubt Scanleistungen von 960 mm/s bzw. 44 µs/Zeile.

Verschobene Pixel

Einen anderen Ansatz zur Erzielung extrem hoher Auflösungen von Flächenkameras hat der südkoreanische Kamerahersteller Vieworks mit der so genannten Pixel-Shift-Technologie vorgestellt. Die Industriekameras VNP-29MC dieses Herstellers mit CameraLink-Schnittstelle verfügen in der Standardausführung über einen CCD-Sensor mit 29 Megapixel (6576 x 4384 Pixel). Durch den Einsatz der Pixel-Shift-Technologie kann die damit erzielbare Auflösung jedoch auf 260 Millionen Pixel (19728 × 13152) gesteigert werden. Dadurch kann diese Kamera für Anwendungen eingesetzt werden, die ultrahohe Auflösungen erfordern.

Der Sensor ist dabei auf einer präzisen piezoelektrischen Kristallunterlage montiert, die eine Pixelverschiebung im Nanobereich von einem halben oder einem Drittel Pixel ermöglicht. Auf diese Weise kann die Standardauflösung um das Vierfache auf 115 Millionen Pixel oder sogar um das Neunfache auf 260 Millionen Pixel erweitert werden.

Die Funktionsweise der Pixel-Shift-Technologie wird in Bild 1 dargestellt. In diesem Beispiel wird der Sensor präzise um ein halbes Pixel in X- und Y-Richtung verschoben. Das resultierende Bild ist somit eine Kombination aus vier Einzelbildern mit verbesserter Auflösung (Ergebnisbild aus vier Aufnahmen) im Vergleich zum Standardbild (Ergebnisbild aus einer Aufnahme). Das Zusammenfügen der Bilder erfolgt per Software im Bildverarbeitungs-PC. Bei einer Verschiebung des Sensors um ein Drittel Pixel werden entsprechend neun Bilder erzeugt.

Abbildung 1: Prinzip der Pixelverschiebung

Die Vieworks-Kamera VNP-29MC ist als Monochrom- oder Farbversion erhältlich, wobei die Möglichkeit der Pixelverschiebung im Bereich der Farbabbildung noch zusätzliche Vorteile bietet: Die CCD-Farbkamera erzeugt ihre Farbbilder mit Hilfe der Bayer-Interpolation. Dabei können ungewollte Artefakte wie Farbmoiré oder falsche Farbpixel entstehen. Durch eine Pixelverschiebung werden Farbartefakte und Alias-Effekte jedoch vermieden und die Farbauflösung optimiert (siehe Bild 2).

Abbildung 2: Farboptimierung durch Pixelverschiebung

Die VNP-29MC-Sensoren können zur Verbesserung der Empfindlichkeit durch thermoelektrische Peltierelemente (TEC) auf 15 Grad unter der Umgebungstemperatur heruntergekühlt werden. Dies sorgt für äußerst stabile Betriebsbedingungen, reduziert das Sensorrauschen und ermöglicht lange Belichtungszeiten oder ein höheres Verstärkungsniveau zur Steigerung der Kameraempfindlichkeit. Dadurch eignen sich diese Kameras hervorragend bei schlechten Lichtverhältnissen, kontrastarmen Objekten oder wechselnden Helligkeitsverhältnissen in Industrieanwendungen.

Bild 3 zeigt die enorme Auflösung, die bei Anwendung der Pixel Shift-Technologie erzielbar ist. Das so entstandene Bild verfügt über eine deutlich höhere Auflösung als die mit der identischen Kamera realisierte Aufnahme ohne Pixel Shift.

Abbildung 3: Ausschnitt eines Geldscheins, aufgenommen mit einer Auflösung von 6576 x 4384 Pixeln

Abbildung 4: Ausschnitt eines Geldscheins, aufgenommen mit einer Verschiebung um ein Drittel Pixel

Zusätzlich zu den Vorteilen einer verbesserten Auflösung sorgt die Pixelverschiebung außerdem für ein größeres Bildfeld, sofern das passende Objektiv verwendet wird. Dadurch lässt sich das Zusammensetzen mehrerer Bilder und die Verwendung mehrerer Kameras vermeiden - was Zeit und Geld spart.

Fazit

In der Bildverarbeitung gibt es unterschiedliche Ansätze, um den steigenden Auflösungsanforderungen zu begegnen. Auf Seiten der Kameratechnik stellen neben Kameras mit immer höher auflösenden Sensoren auch Zeilenkameras oder Kameras mit Pixel Shift-Technologie leistungsfähige Methoden dar. Als Technologieunabhängiger Partner berät STEMMER IMAGING Bildverarbeitungsanwender gerne und unterstützt sie bei der Lösung ihrer individuellen Aufgabenstellung.