Wie wählt man eine Kamera für den Linienscan flacher Oberflächen?

In Bildverarbeitungssystemen, und besonders in der Qualitätskontrolle an der Produktionslinie, gilt eine harte Regel: Garbage In, Garbage Out. Sie können das beste KI Modell haben, wenn Sie ihm schwache, verrauschte oder verzerrte Daten geben, sind die Ergebnisse im besten Fall unvorhersehbar und im schlechtesten Fall teuer.

Die Kamera ist das Auge Ihres Systems. Beim Linienscan, bei dem sich das Produkt schnell bewegt, ist die Wahl der Kamera kein Punkt auf einer Einkaufsliste. Sie ist eine grundlegende Entscheidung, die die Obergrenze für Genauigkeit und Zuverlässigkeit des ganzen Systems festlegt. Eine falsche Entscheidung an dieser Stelle lässt sich per Software kaum ausgleichen.

In einem früheren Beitrag haben wir eine allgemeine Liste der Kameraparameter aufgestellt. Heute schauen wir uns die wichtigsten im Zusammenhang mit dem Scan flacher Oberflächen an, mit Blick auf die technischen Abwägungen, die dabei anstehen.

Typ und Größe des Sensors

Die erste und wichtigste Entscheidung beim Sensor ist die Art des Verschlusses. Es gibt zwei Gruppen: Rolling Shutter und Global Shutter.

Für Systeme, die Objekte in Bewegung scannen, ist diese Wahl entscheidend.

• Rolling Shutter: liest das Bild Zeile für Zeile von oben nach unten. Bewegt sich das Objekt schneller, als der Sensor ausgelesen wird, ist das Bild verzerrt, es entsteht der bekannte Wackelpudding Effekt.
• Global Shutter: belichtet und liest alle Pixel gleichzeitig. Er friert die Bewegung ein und liefert ein geometrisch korrektes Bild.

Vergleich der Ausleseverfahren des Sensors nach Art des Verschlusses.

Der Unterschied wird bei bewegten Objekten sehr deutlich. Ein Sensor mit Rolling Shutter erzeugt Artefakte, die eine genaue Messung unmöglich machen und die Einordnung von Fehlern stark erschweren.

Vergleich eines bewegten Objekts nach Art des Sensors: A) Rolling Shutter mit sichtbarer Verzerrung, B) Global Shutter.

Daraus folgt eine einfache Regel:

Regel 1: Überall dort, wo wir Objekte in Bewegung aufnehmen, etwa ein Produkt auf einer Produktionslinie, ist ein Sensor mit Global Shutter zwingend nötig, damit das Bild für die Auswertung die Wirklichkeit korrekt abbildet.

Der zweite wichtige Parameter ist die physische Größe des Sensors, etwa 1/2 Zoll, 2/3 Zoll oder 1 Zoll. Ein größerer Sensor mit meist größeren Pixeln bedeutet ein besseres Verhältnis von Signal zu Rauschen und höhere Empfindlichkeit. Bei den kurzen Belichtungszeiten, die die Geschwindigkeit der Linie vorgibt, ist es entscheidend, möglichst viel Licht einzusammeln.

Ein größerer Sensor kostet natürlich mehr, sowohl bei der Kamera als auch bei der passenden Optik. Nach unserer Erfahrung liefern in anspruchsvollen Anwendungen Sensoren ab 1 Zoll eine spürbar bessere Bildqualität und sind ein guter Ausgangspunkt.

Auflösung

Dieser Parameter bestimmt direkt den Detailgrad. Er muss zur Größe des kleinsten Fehlers oder Merkmals passen, das das System zuverlässig erkennen soll.

In der Praxis nutzen wir eine bewährte Regel:

Regel 2: Das kleinste interessierende Element im Bild sollte durch mindestens 3 bis 5 Pixel dargestellt werden.

Ein Beispiel: Beträgt die Arbeitsbreite des Scans 1200 mm und ist der kleinste zu erkennende Fehler 1 mm groß, dann sollte die Kamera horizontal zwischen 3600 Pixel (1200 geteilt durch 1, mal 3) und 6000 Pixel (1200 geteilt durch 1, mal 5) auflösen.

Eine höhere Auflösung senkt den mittleren Messfehler und gibt Details besser wieder, sie hat aber einen Preis: mehr Daten. Das erhöht die Anforderungen an die Recheneinheit und kann das System verlangsamen. Mehr ist also nicht immer besser, entscheidend ist das Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand.

Geschwindigkeit der Kamera und Geschwindigkeit der Linie

Die Bildrate, also die Zahl der Bilder pro Sekunde, muss zur Produktionslinie passen. Entscheidend ist die höchste Fördergeschwindigkeit des Produkts.

Linien laufen oft mit wechselnder Geschwindigkeit, das Bildverarbeitungssystem muss deshalb für den schnellsten möglichen Fall ausgelegt sein.

Eine wichtige Technik beim Linienscan ist der Bildausschnitt, die Region of Interest. Datenblätter nennen die höchste Bildrate beim Auslesen des gesamten Sensors. Für den Scan einer flachen Oberfläche brauchen wir aber nicht die volle Bildhöhe von zum Beispiel 3000 x 3000 Pixeln. Wir können die Kamera so einstellen, dass sie nur ein schmales Fenster liest, etwa 3000 x 400 Pixel.

Das senkt die Datenmenge aus dem Sensor deutlich und erlaubt es, die wirksame Bildrate stark zu erhöhen, oft um ein Vielfaches. Das ist in dieser Klasse von Anwendungen Standard.

Viele Hersteller, etwa Basler, bieten Rechner an, mit denen sich die erreichbare Bildrate für einen bestimmten Bildausschnitt genau bestimmen lässt.

Farbe oder monochrom?

Die Wahl ist einfacher, als sie scheint. Die Standardwahl in industriellen Anwendungen ist immer eine monochrome Kamera.

Warum?

1. Weniger Daten: Ein monochromes Bild mit 8 Bit erzeugt dreimal weniger Daten als ein Farbbild mit 24 Bit. Das senkt den Rechenaufwand und die Last auf der Schnittstelle.
2. Höhere Empfindlichkeit und Schärfe: Farbsensoren nutzen einen Bayer Filter, jedes Pixel sieht also nur eine Farbe. Die Werte der beiden anderen Kanäle werden berechnet, was das Bild leicht weichzeichnet. Ein monochromes Pixel nimmt das ganze Spektrum auf, ist dadurch empfindlicher und gibt Details schärfer wieder, was bei kurzer Belichtung entscheidend ist.

Eine Farbkamera wählen Sie nur dann, wenn die Farbe das entscheidende Merkmal des Fehlers ist, etwa bei der Prüfung von Druckfarben oder bei chemischen Verfärbungen.

Schnittstelle

In der Produktion geht es bei der Schnittstelle nicht nur um Datenrate, sondern vor allem um Zuverlässigkeit und Störfestigkeit.

• USB: einfach umzusetzen und in Recheneinheiten für Edge KI verbreitet, etwa bei NVIDIA Jetson. Übliche USB Kabel sind allerdings empfindlich gegen elektromagnetische Störungen, besonders ab etwa 3 m Länge. Frequenzumrichter oder Motoren in der Nähe können zu Paketverlusten führen.
• Ethernet: die deutlich robustere Wahl und der Standard in der Industrie. Es erlaubt lange, geschirmte Kabel bis 100 m. Ein großer Vorteil ist Power over Ethernet, damit laufen Stromversorgung und Daten über ein Kabel, was den Einbau stark vereinfacht.

Hat die Recheneinheit nur einen Ethernet Anschluss, der zum Beispiel vom Werksnetz belegt ist, lohnt sich eine zusätzliche Netzwerkkarte allein für die Kamera, statt eine wackelige USB Verbindung zu riskieren.

Funktionen in der Kamera

Moderne Industriekameras sind kleine Computer. Es lohnt sich zu prüfen, welche Funktionen sie schon selbst übernehmen, bevor das Bild im Rechner ankommt.

• Bildausschnitt: wie erwähnt entscheidend für eine höhere Bildrate.
• Binning: Zusammenfassen benachbarter Pixel, etwa 2 x 2, zu einem größeren Pixel. Das senkt die Auflösung, erhöht aber die Lichtempfindlichkeit und die Auslesegeschwindigkeit deutlich. Nützlich bei sehr wenig Licht.
• Auslösung über ein Signal: Die Kamera lässt sich genau über ein externes Signal auslösen, etwa über eine Lichtschranke am Anfang des Produkts, und kann selbst die Beleuchtung steuern, etwa eine Blitzlampe. Für die Synchronisierung mit der Linie ist das nötig.
• Kompression der Bilder: Bei großen Datenmengen zur Recheneinheit lohnt sich eine verlustfreie Kompression schon in der Kamera. Das entlastet die Schnittstelle, und die Daten werden vor der Auswertung wieder entpackt. Besonders wichtig, wenn mehrere Kameras im System arbeiten.

Diese Funktionen lassen sich nach dem Kauf nicht per Software nachrüsten. Das Problem zu kennen und diese Anforderungen vor der Auswahl der Hardware festzulegen, ist entscheidend für den Erfolg des Projekts.