Industrielle Bildverarbeitung (eBook)

Vorwort 4
Geleitwort 7
Inhaltsverzeichnis 9
1. Einleitung 16
1.1 Warum noch ein Buch über Bildverarbeitung? 16
1.2 Möglichkeiten und Grenzen 18
1.3 Typen von Sichtprüfaufgaben 20
1.3.1 Einteilung nach dem Prüfziel 20
1.4 Aufbau von Bildverarbeitungssystemen 21
1.4.1 Hardwareaufbau 22
1.4.2 Signalfluss in der Prozessumgebung 25
1.4.3 Signalfluss innerhalb des Bildverarbeitungssystems 28
1.5 Vorgehensmodell 30
1.6 Einführungsbeispiel 32
1.6.1 Schrifterkennung 33
1.6.2 Gewindetiefe 36
1.6.3 Anwesenheitskontrolle 38
1.7 Weiteres Vorgehen 40
2. Querschnitt: Bildvorverarbeitung 43
2.1 Grauwerttransformation 44
2.1.1 Look-Up-Tabellen 44
2.1.2 Lineare Grauwertskalierung 47
2.1.3 Kontrastnormierung 47
2.1.4 Histogramm-Ebnung 48
2.1.5 Lokale Kontrastnormierung 50
2.2 Bildarithmetik 52
2.2.1 Bildaddition und Bildmittelung 53
2.2.2 Bildsubtraktion 53
2.2.3 Minimum und Maximum zweier Bilder 56
2.2.4 Shading-Korrektur 56
2.3 Lineare Filter 58
2.3.1 Lokale Operationen und Bildumgebungen 59
2.3.2 Prinzip linearer Filter 59
2.3.3 Glättungsfilter 62
2.3.4 Kantenfilter 68
2.4 Medianfilter 74
2.5 Morphologische Filter 76
2.6 Andere nichtlineare Filter 78
2.7 Koordinatentransformationen 80
2.8 Integraltransformationen 83
2.9 Zusammenfassung 83
3. Lageerkennung 86
3.1 Position eines Einzelobjekts 86
3.1.1 Positionierung anhand des Gesamtobjekts 87
3.1.2 Positionierung anhand einer Kante 89
3.2 Ausrichtung eines einzelnen Objekts 93
3.2.1 Orientierungsberechnung anhand der Hauptachse 93
3.2.2 Polarabstandsprojektion 96
3.3 Roboterpositionierung 98
3.3.1 Aufgabenstellung 99
3.3.2 Bildverarbeitungskomponenten 100
3.3.3 Positionsermittlung an einem Objekt 101
3.3.4 Orientierung einer Objektgruppe 102
3.3.5 Bemerkungen zur Positionskorrektur 103
3.4 Zusammenfassung 105
4. Querschnitt: Segmentierung 107
4.1 Arbeitsbereiche 107
4.1.1 Arbeitsbereiche und Objekte Anwendungen ohne Segmentierung: 107
4.2 Binärsegmentierung 108
4.2.1 Schwellwerte 109
4.2.2 Schwellwertbestimmung aus Histogrammanalysen 110
4.2.3 Grauwerthistogramme 111
4.2.4 Verallgemeinerung der Binarisierung Bereichsbinarisierung: 114
4.3 Konturverfolgung 116
4.3.1 Punktnachbarschaft 117
4.3.2 Erzeugung von Objektkonturen 119
4.3.3 Konturdarstellung 120
4.4 Template Matching 120
4.4.1 Funktionsprinzip 121
4.4.2 Optimierungsmöglichkeiten 125
4.4.3 Bemerkungen zum Template Matching 129
4.4.4 Kantenbasierte Objektlokalisierung 130
4.5 Kantendetektion 133
4.5.1 Kantenantastung in industriellen Bildszenen 133
4.5.2 Subpixelgenaue Kantenlokalisierung 134
4.6 Zusammenfassung 136
5. Kennzeichnungsidentifikation 139
5.1 Barcode-Identifikation 139
5.1.1 Prinzip der Barcodeerkennung auf Grauwertbasis 140
5.1.2 Barcodetypen 141
5.1.3 Beispiele für industrielle Barcode-Identifikation Barcode auf Metall: 143
5.1.4 Zweidimensionale Codes 145
5.2 Klarschrifterkennung 148
5.2.1 Lasergravierte Schrift auf einem IC 148
5.2.2 Basiskonfiguration der IC-Schrifterkennung 150
5.2.3 Prinzipieller Aufbau einer Klassifikationsanwendung 153
5.2.4 Positionskorrektur am IC 159
5.2.5 Verbesserung der Zeichenqualität 164
5.2.6 Optimierung im Betrieb 165
5.3 Erkennung genagelter Schrift auf Metall 167
5.3.1 Beleuchtung 167
5.3.2 Vorverarbeitung 168
5.3.3 Segmentierung und Klassifikation 169
5.4 Blockcodierungen auf Filmrollen 171
5.5 Druckqualitätskontrolle 174
5.5.1 Vorgehensweise 175
5.5.2 Druckqualitätskontrolle in Einzelbereichen 177
5.5.3 Druckqualitätskontrolle mit automatischer Teilung 178
5.6 Zusammenfassung 179
6. Querschnitt: Klassifikation 182
6.1 Was ist Klassifikation 182
6.2 Klassifikation als Funktionsapproximation 184
6.2.1 Grundbegriffe 185
6.2.2 Statistische Grundlagen 187
6.2.3 Konstruktion von Klassifikatoren 188
6.3 Multireferenzenklassifikatoren 190
6.3.1 Nächster-Nachbar-Klassifikator 190
6.3.2 RCE-Netze 192
6.3.3 Vektorquantisierung 193
6.3.4 Template Matching 194
6.3.5 Bemerkungen zu Multireferenzenklassifikatoren 194
6.4 Funktionalklassifikatoren 195
6.4.1 Polynomklassifikator 195
6.4.2 Neuronale Netze vom Typ Multilayer-Perzeptron 196
6.5 Bemerkungen zum Einsatz neuronaler Netze 200
6.5.1 Zusammensetzung der Lernstichprobe 200
6.5.2 Merkmalsskalierung 200
6.5.3 Rückweisung 201
6.5.4 Abgrenzung zu anderen Klassifikatoren 202
6.6 Zusammenfassung 203
7. Vermessung 206
7.1 Vermessungsaufgaben 207
7.2 Einfache Vermessung 207
7.2.1 Schwerpunktsabstände 209
7.2.2 Konturabstände 212
7.2.3 Winkelmessungen 216
7.3 Formkontrolle an Elektronikstanzteilen 218
7.3.1 Prüfaufgabe 218
7.3.2 Berechnung von Ausgleichsgeraden 219
7.3.3 Messung des Konturwinkels 221
7.4 Winkelmessung an einem Zahnriemen 223
7.4.1 Beleuchtungsaufbau 223
7.4.2 Kantenerzeugung 225
7.5 Formkontrolle an Spritzgussteil 226
7.5.1 Bestimmung von Radien 227
7.5.2 Bemerkungen zur Ausgleichskreisberechnung 230
7.6 Hochgenaue Vermessung eines Gewindeflansches 230
7.6.1 Beleuchtung und Bildaufnahme 231
7.6.2 Subpixelgenaue Vermessung der Gewindetiefe 232
7.7 Kalibrierung 234
7.7.1 Kalibriermodus 234
7.7.2 Prüfungsbezogene Kalibrierungen 235
7.8 Zusammenfassung 236
8. Querschnitt: Bildaufnahme und Beleuchtung 238
8.1 Halbleitersensoren für die Bildverarbeitung 238
8.1.1 Einführung 239
8.1.2 CCD-Sensoren 241
8.1.3 CMOS-Sensoren 244
8.1.4 Sonderbauformen 246
8.1.5 Farbsensoren 247
8.1.6 Eigenschaften von Sensoren Pixelgröße: 249
8.2 Digitalkameras 253
8.2.1 Steuerung der Bildaufnahme 254
8.2.2 Aufnahme von Farbbildern 256
8.2.3 Kennwerte von Digitalkameras 258
8.2.4 Einsatzbedingungen in Industrieumgebungen Temperatur: 260
8.3 Bilddatenübertragung 261
8.3.1 CameraLink 262
8.3.2 FireWire 264
8.3.3 USB 266
8.3.4 Gigabit-Ethernet 267
8.4 Zeilenkameras 270
8.4.1 Typen von Zeilenkamera-Anwendungen 270
8.4.2 Ortsauflösung bei Zeilenkameras 272
8.4.3 Belichtung bei Zeilenkameras 273
8.4.4 Steuerung von Zeilenkameras 274
8.5 Optische Grundlagen 275
8.5.1 Blendenzahl 276
8.5.2 Abbildungsgesetze 277
8.5.3 Schärfentiefe 283
8.5.4 Typische Aufnahmesituationen 287
8.5.5 Abbildungsfehler 289
8.5.6 Objektivbestimmung 290
8.5.7 Besondere Objektivtypen 293
8.6 Beleuchtungstechnik 294
8.6.1 Leuchtmittel 294
8.6.2 Auflicht 297
8.6.3 Durchlicht 300
8.7 Zusammenfassung 303
9. Anwesenheitskontrolle 308
9.1 Anwesenheitskontrolle mit Schwenk-NeigekopfZoomkameras 309
9.1.1 Prüfteilgeometrie 309
9.1.2 Beleuchtung 311
9.1.3 Positionierung 311
9.1.4 Objektdetektion 312
9.1.5 Verifikation des Ergebnisses 313
9.2 Einfache Vermessung zur Montagekontrolle 315
9.2.1 Beleuchtung 315
9.2.2 Prüfkriterien 317
9.2.3 Objekterzeugung und Maßberechnung 319
9.2.4 Positionskorrektur 320
9.3 Anwesenheitskontrolle mithilfe von Klassifikatoren 322
9.3.1 Beleuchtung 323
9.3.2 Kontrolle der Verstemmung Vorverarbeitung. 325
9.3.3 Typkontrolle des Flansches 331
9.4 Kontrastlose Anwesenheitskontrolle 335
9.5 Anwesenheitskontrolle mit Zeilenkameras 337
9.5.1 Prüfung zylindrischer Teile mit Flächenkameras 338
9.5.2 Prüfung eines Ventilkörpers 341
9.5.3 Bemerkungen 347
9.6 Zusammenfassung 349
10. Querschnitt: Objektmerkmale 350
10.1 Einfache geometrische Merkmale 350
10.1.1 Umschreibendes Rechteck 350
10.1.2 Fläche und Umfang 351
10.1.3 Schwerpunktskoordinaten 355
10.1.4 Achsen und Radien Hauptträgheitsachse: 356
10.2 Formbeschreibende Merkmale 358
10.2.1 Konturkrümmung 358
10.2.2 Fasermerkmale 361
10.2.3 Euler-Zahl 362
10.2.4 Momente und Fourierdeskriptoren Momente: 362
Fourierdeskriptoren: 363
10.3 Grauwertmerkmale 363
10.3.1 Statistik erster Ordnung 363
10.3.2 Texturmerkmale 364
10.4 Zusammenfassung 365
11. Farbbildverarbeitung 368
11.1 Farbidentifikation 369
11.1.1 Auswertestrategie 370
11.1.2 Beleuchtung und Bildaufnahme 371
11.1.3 Farbklassifizierung 373
11.1.4 Auswahl des Kamerabildes für die Beschriftungserkennung 377
11.1.5 Erkennung der Beschriftung 381
11.2 Farbsegmentierung 383
11.2.1 Beleuchtung 384
11.2.2 Farbklassifikation 384
11.2.3 Segmentierung 388
11.2.4 Anwesenheitsprüfung 388
11.3 Zusammenfassung 389
12. Realisierung von Bildverarbeitungsapplikationen 391
12.1 Bildverarbeitungsprojekte 391
12.2 Prozessintegration 393
12.3 Ausblick 397
A. Mathematische Ergänzungen 398
A.1 Backpropagation-Training 398
A.1.1 Neuronale Netze – Begriff und Geschichte 398
A.1.2 Grundlagen 399
A.1.3 Backpropagation 400
A.2 Herleitung der Schärfentiefe 404
A.2.1 Grenzabstände 404
A.2.2 Schärfentiefe im Unendlichen 407
A.2.3 Abhängigkeit der Schärfentiefe von der Brennweite 409
B. Software-Download 410
C. Weblinks zur industriellen Bildverarbeitung 411
Literaturverzeichnis 412
Index 414