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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

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Bildverarbeitung Mehr Kontrast und bessere Sicht für Vision-Systeme Wie Polarisation die Bildqualität in schwierigen Lichtverhältnissen verbessert und welche Applikationen profitieren Einsatz eines Polfilters © Sirui Deutschland GmbH Autorin: Ute Häußler Framos www.framos.com Für die Aufnahme des optimalen Bildes in einem Vision-System halten die Lichtbedingungen oder das zu betrachtende Objekt oft einige Herausforderungen bereit. Zuviel Licht, Reflexionen, Dunst oder glänzende Materialien können die Bildqualität und damit die Ergebnisse der Bild analyse und Inspektion schmälern. Der Einsatz von Polarisationsfiltern oder -sensoren reduziert die Blendung und Reflexion von Oberflächen, so dass sich die Sichtbarkeit von Strukturen, Fehlern oder Formen erhöht. Ähnlich wie mit einer Sonnenbrille werden Reflexionen und Lichtablenkungen entfernt Kurz gefasst In der Qualitätskontrolle kommt es auf jedes Detail an. Oft kann man durch ungünstige Lichtbedingungen wie Spiegelungen oder Reflexionen kleinste Strukturen nicht erkennen. Hier schaffen Polarisationsfilter Abhilfe. - das Bild erscheint deutlicher, kontrastreicher und lebendiger. Was ist Polarisation und was bewirkt sie? Licht ist physikalisch betrachtet elektromagnetische Strahlung, das heißt eine Welle. Die Polarisation einer Welle meint dabei die Richtung der Amplitude des elektrischen Feldes, sie beschreibt den Schwingungszustand des Lichts. Es kann zwischen linear polarisierten, zirkular polarisierten sowie elliptisch polarisierten Wellen unterschieden werden, wobei Polarisation in der Bildverarbeitung sich in 136 PC & Industrie 11/2018

Bildverarbeitung Bild 1: Reflexionen von unpolarisiertem Licht den meisten Fällen auf linear polarisiertes Licht bezieht. Auf der Erde ist Licht von Natur aus nicht polarisiert, das heißt, die Wellen schwingen in allen Ebenen gleichermaßen. Nicht polarisiertes Licht trifft, in verschiedenen Schwingungszuständen und Winkeln auf Objekte und Flächen (Bild 1). Dabei kann das Licht reflektiert oder gestreut werden, es entstehen in der Bildverarbeitung unerwünschte Blendungen, Blitze oder Lichtflecken. Diese können entscheidende Bildinformationen überdecken oder überstrahlen und damit die Analyse der aufgenommenen Bilder sowie die Inspektion der Objekte beeinträchtigen. Das Unsichtbare sichtbar machen Ein Polarisationsfilter wirkt auf die unpolarisiert ankommenden Lichtwellen, indem er die Wellen einer bestimmten Ausrichtung beziehungsweise Polarisationsebene herausfiltert, was in etwa 50 % des einfallenden Lichts entspricht (Bild 2). Spiegelt sich Licht an einer Oberfläche, wird eine Polarisationsebene stärker reflektiert als die andere – mithilfe eines Polfilters kann somit nur der Lichtanteil durchgelassen werden, der die Spiegelung nicht enthält und damit den Blick auf das Bild dahinter freigibt. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Polarisationsfilter in den meisten Fällen zur Minderung von Reflexionen eingesetzt, um das eigentliche Bild „dahinter“ sichtbar zu machen. Im Aufmacherbild werden mit dem Einsatz eines Polfilters die Steine unter der Wasseroberfläche sichtbar. Polarisationsfilter eignen sich sowohl für Monochrom- und Farbaufnahmen, da sie keinen Einfluss auf die Farben des inspizierten Bildes zeigen. Polarisationsfilter in der Inspektion In der industriellen Bildverarbeitung helfen Polarisationsfilter bei der Inspektion von Objekten und Oberflächen, sie decken ansonsten nicht sichtbar gewordene Fehler sowie Strukturen auf und unterstützen die verbesserte Formerkennung. • Formerkennung bei wenig Kontrast – In kontrastarmen Umgebungen oder bei mehreren dunklen Objekten etwa kann es schwierig sein, Grenzen und Formen zu unterscheiden. Ein Polarisationsfilter verbessert den Kontrast, er zeigt das Bild genauer und unterstützt so die genaue Erkennung von Formen und Abgrenzungen. • Scratch-Erkennung – Der erhöhte Kontrast durch Polarisationsfilter visualisiert Kratzer auf Oberflächen und hilft so bei der Fehlererkennung und Qualitätskontrolle. • Entfernung von Reflexionen – Wenn reflektierendes Licht das Bild behindert, kann ein Polarisationsfilter das reflektierende Licht aus dem Bild entfernen und die betroffenen Objekte einwandfrei visualisieren. Gleichzeitig können Blendungen aus dem Bild entfernen werden, um dahinter liegende Bildteile sichtbar zu machen. • Unterscheidung von Lichtrichtungen – Polarisationsfilter können helfen, die normale Richtung des Lichts zu erkennen. Außerdem kann vertikales von horizontalem Licht abgegrenzt werden. Dies ist in Situationen nützlich, in denen wichtig ist, woher das Licht kommt. So können nicht nur reflektierte Lichter entfernt, sondern auch weitere Eigenschaften des Lichts angezeigt werden. Arten von Polarisationsfiltern in der Bildverarbeitung Es gibt verschiedene Möglichkeiten die Polarisation in einem Vision-System für eine verbesserte Bildqualität und genauere Analyse zu nutzen. Ein Weg besteht darin, einen Standard-Bildsensor und einen Polfilter einzusetzen. Klassische Polfilter, wie sie aus der Fotografie bekannt sind, werden vor dem Objektiv oder an der Beleuchtung angebracht und können zur Bestimmung der Ausrichtung rotiert werden. Soll ein Gesamtbild mit allen Polarisationsrichtungen aufgenommen werden, müssen mehrere sequentielle Bilder mit unterschiedlichen Polarisationswinkeln aufgenommen werden. Die Geschwindigkeit der Anwendung wird dabei verringert. In klassischen Maschine-Vision- Anwendung wird jedoch nur ein Bild mit der für den jeweiligen Anwendungsfall besten Polarsationswinkel genutzt. Dazu ist der Filter drehbar in einer Halterung angebracht, die auf dem Objektiv angeschraubt wird. Durch Drehung des Filters wird die beste, d. h. Kontrastreichte Einstellung ohne Reflexe gesucht und fixiert. Soll zusätzlich noch störendes Umgebungslicht ausgeblendet werden, kann vor der Beleuchtung ein weiterer Polarisationsfilter oder eine Polarisationsfolie angebracht werden. Stehen die Polarisationsebenen von Objektiv und Beleuchtung parallel zueinander wird maximale Helligkeit im Bild erreicht, wobei das unpolarisierte Umgebungslicht zu einem Großteil ausgeblendet wird. Die Lösung ist meist schnell und günstig umzusetzen, und kann auch in bereits bestehenden Systemen angebracht werden. Die Lebensdauer des Filters kann durch Umwelteinflüsse je nach Umgebung beeinträchtigt werden. On-Sensor Auf dem Sensor aufgebrachte Polarisationsfilter (on-sensor) bestehen zumeist aus Glas und über decken mit vier verschiedenen Filtern zu 0°, 45°, 90° und 135° den Sensor und seine Pixel. Der Winkel des polarisierten Lichts sowie die Polarisationsrichtung sind damit exakt bestimmbar. Die Glasfilter können auf Sensoren jeglicher Wellenlängen aufgebracht werden und sind verlässlich. Die Filter werden einmalig auf den Sensor aufgebracht und in das Vision-System eingebaut, die Lebensdauer ist durch die Lage direkt am Sensor und den Schutz vor äußeren Einflüssen besser als bei externen Polfiltern. Die Geschwin- PC & Industrie 11/2018 137

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