Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 7 Jahren

11-2016

  • Text
  • Software
  • Elektromechanik
  • Positioniersysteme
  • Stromversorgungantriebe
  • Feldbusse
  • Kommunikation
  • Robotik
  • Qualitaetssicherung
  • Bildverarbeitung
  • Automatisierungstechnik
  • Sensorik
  • Messtechnik
  • Visualisieren
  • Regeln
  • Msr
  • Boards
  • Systeme
  • Sbc
  • Ipc
  • Pc
Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Bildverarbeitung Welche

Bildverarbeitung Welche Genauigkeit erreicht man mit Farbsensoren und Mini-Spektrometern? Jede Anwendung in der Farbmessung erfordert eine bestmögliche Zusammenstellung der Sensorkomponenten wie Filter, Elektronik, Beleuchtung und Target für die Kalibrierung, um das Optimum an Genauigkeit zu erreichen. Die Wahl der Lichtquellen, deren Betrieb und die Filtercharakteristik entscheiden darüber, was der Sensor detektieren kann. Die Elektronik bestimmt die Qualität der Sensorsignalwerte bzw. bestimmt die mögliche Zeit, wie schnell Messergebnisse der Sensoren zur Verfügung stehen. Nur eine ideale Kombination aus Licht, Filterfunktion und Verstärker führt zu auswertbaren Ergebnissen. Eine fehlerhafte oder ungenügende Kalibrierung kann das Messergebnis verfälschen. In dieser Arbeit gilt es Untersuchungen anzustellen, wann welche Detektoren (RGB- Sensoren, True-Color-Sensoren, Mehrbereichs- sensoren und Mini-Spektrometer) zum idealen Einsatz kommen können und diese Analysen anhand von Applikationsbeispielen und Messreihen nahezulegen. Dabei sollen bei der applikationsbedingten Auswahl der Messmittel stets Kosten, Geschwindigkeit, Größe und Farbgenauigkeit in Betracht gezogen werden. Autoren: M.A. Kevin Jensen, Dipl.-Inf. Thomas Nimz, Mazet GmbH Spektrometer gelten als Referenzgeräte in der Farbmessung, doch sind sie im applikativen Gebrauch sehr kostenintensiv und unhandlich. Farbsensoren und Mini-Spektro meter sind hier eine Alternative. Doch welche Sensoren und Detektoren können bei spezifischeren Lösungen am besten verwendet werden? Welche Faktoren, Charakteristiken und Genauigkeiten sind zu beachten? Einleitung Farbmetrik bzw. Messung der Farbe wird in technischen Applikationen immer bedeutender. Während in der Vergangenheit einfache RGB-Sensoren verschiedene Aufgaben übernehmen konnten, gelten bei komplexen Lösungen andere Ansprüche an die Detektoren und Messmodule. Dabei muss man berücksichtigen, dass Farbmessung hohe Ansprüche an die Sensorik stellt, aber auch applikationsgebunden ist. Die Farbwahrnehmung basiert nicht auf einer physikalischen Messgröße, wie beispielsweise Strom oder Druck sondern beinhaltet auch eine subjektive bzw. physiologische Komponente. Sensoren und Detektoren Maßgeblich kommen bei der Farbmessung im applikativen Bereich zwei Arten von Messinstrumenten zum Einsatz. Zum einen das traditionelle Spektrometer, das als Referenzgerät und zu Kalibrationszwecken Verwendung findet und zum anderen Farbsensoren, die als kostengünstige Option mit unterschiedlichen Auflösungen und Charakteristiken aufwarten. Eine Alternative sind Mini-Spektrometer. Diese unterschiedlichen Detektoren und Sensoren gilt es bei den nachfolgenden und praxisnahen Testmessungen genauer zu betrachten. Bild 1: Typische Kennlinien von RGB-Sensoren basierend auf Absorptionsfiltern 16 PC & Industrie 11/2016

Bildverarbeitung Bild 2: Typische Kennlinien von True-Color Sensoren (XYZ) basierend auf Interferenzfiltern RGB-Sensoren RGB-Sensoren, basierend auf Absorptionsfiltern, enthalten drei Bandpässe im sichtbaren Bereich. Die Maxima dieser Spektralkurven sind nicht einheitlich auf bestimmte Wellenlängen festgelegt, sondern werden je nach Materialkosten für die Filter in der Herstellung und nach der Messaufgabe festgelegt. Man muss sich bewusst sein, dass man Farben misst, die nicht dem menschlichen Empfindungsvermögen entsprechen, trotzdem aber für die Farbmessung – je nach Genauigkeitsanforderungen – verwendet oder eben nicht verwendet werden können. Selbst bei aufwendiger Kalibrierung gibt es Grenzen in der Genauigkeit. True-Color-Sensoren Zur absoluten Messung werden zen die True-Color-Sensoren eine True-Color-Sensoren eingesetzt. absolute Genauigkeit, vergleichbar Sie enthalten Interferenzfilter als der des menschlichen Auges. Demzufolge ist es möglich die Farbe technische Umsetzung von Farbstandards und sind in der Lage, Farben treffsicherer als das menschsen genau so wiederzugeben, wie von Stoffen oder Druckerzeugnisliche Auge zu messen. Der Begriff sie das Auge sehen würde. „True Color“ ist hier gebunden an die Merkmale eines Farbsensortyps, die eine Filtercharakteristik Soll die spektrale Zusammen- Mehrbereichssensoren „besser als das menschliche Auge“ setzung der Objekte erfasst werden oder sind Metamerieffekte zu haben bzw. nach DIN5033 (CIE1931 - Normspektralwertfunktion). erwarten, müssen Mehrbereichssensoren eingesetzt werden. Bei Diese Filter haben eine exakte Zuordnung des Empfindlichkeitswertes eines Farbkanals zur spek- gewähltes Spektrum in spektrale den Mehrbereichssensoren ist ein tralen Wellenlänge. Abweichungen Bereiche aufgeteilt. Die Filter sind führen zur Verfälschung des Messwertes. Durch eine Kalibrierung ihren Grenzbereichen überlappen so angeordnet, dass diese sich in kann man die Farbwerte als XYZ- und möglichst wenige Lücken im Koordinaten ermitteln, welche die sichtbaren Spektrum vorhanden sind. Basis für die Umrechnung in weitere Mit Mehrbereichssensoren findet Farbräume darstellen. Aufgrund der die Bewertung einer Farbe nicht auf Normspektralwertfunktionen besit- der kolorimetrischen, sondern auf Bild 3: Typische Kennlinien eines Mehrbereichssensors, hier mit 6+1 Kennlinien Bild 4: RGB-Sensor (Absorptionsfilter) mit Farbdrift. True-Color-Sensor (Interferenzfilter) ohne Farbdrift der radiometrischen Ebene statt. Als Ergebnis erhält man das Spektrum der Probe und ermittelt aus diesem den Farbort. Mini-Spektrometer Mini-Spektrometer sind robuste und kompakte Lösungen, die spektrale Werte ermitteln und Aussagen über den Farbraum zulassen. Sie verfügen über eine geringere Auflösung als ihre „großen Vertreter“ und die Messergebnisse werden aufgrund der geringeren Anzahl an spektralen Abtastpunkten schneller erfasst als bei einem hochauflösendem Spektrometer, jedoch sind sie im Vergleich zu RGB- und True-Color- Sensoren langsamer. Vergleich Farbsensoren zeichnen sich durch eine geringe Chipfläche und hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus. Sie eignen sich von einfachen Vergleichsmessungen über absolute Farbmessung bis hin zu radiometrischen Messungen bei Mehrbereichssensoren. Bei Vergleichsmessungen werden Muster gemessen und als Referenzwerte gespeichert. Dazu wird ein Schwellwert RGB (relatives Messen) oder ein farbmetrischer Wert XYZ wie ΔEL*a*b* (absolutes Messen) festgelegt zur späteren Klassifizierung gemessener Objekte festlegt. Voraussetzung für Vergleichsmessungen ist eine feste Menge an Farben. Reicht das Wissen über den Farbort nicht aus, so greift man auf Mini- Spektrometer oder Mehrbereichssensoren zurück. Diese können, bis zu bestimmten Auflösungen, Aussagen über ein gesamtes Spektrum ausgeben und Metamerieeffekte ausgleichen. In Anbetracht dieses Vorwissens sollen, am Beispiel von Applikationsaufbauten, unterschiedliche Gegenüberstellungen von den Sensoren und/oder Mini-Spektrometer stattfinden, um zu demonstrieren wann welche Charakteristiken von Vorteil sind. Applikation: LED-Regelung mit Farbsensoren RGB- und True-Color-Sensoren LEDs ersetzen vermehrt herkömmliche Lampen und dienen als energieeffiziente Lichtquelle. Beispiele dafür sind Hintergrundbeleuchtungen von LCD-Monitoren oder Projektoren, Beleuchtungen in der Automatisierungs- und Fahrzeugtechnik oder Werbung, Medizin oder Healthcare. Oft besteht der Wunsch, Mischfarben darzustellen oder bestimmte Farbtemperaturen mit hohem Farbwiedergabe- PC & Industrie 11/2016 17

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel