Industrielle Bildverarbeitung - Wie optische Qualitätskontrolle wirklich funktioniert (eBook)

Industrielle Bildverarbeitung - Wie optische Qualitätskontrolle wirklich funktioniert (eBook)

Dieses Buch bietet eine praxisorientierte Einführung in die industrielle Bildverarbeitung. Das Buch liegt nun in einer überarbeiteten 3. Auflage vor, die die aktuellen technologischen Entwicklungen zum Beispiel im Bereich Kameratechnik und Farbbildverarbeitung berücksichtigt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Zusammenwirken von Verfahren in einem bildverarbeitenden Gesamtsystem einschließlich der typischen Problemstellungen bei der Integration in die automatisierte Fertigung. Anhand von realen Beispielen und der Standard-Software NeuroCheck wird eine Anleitung zur Lösung industrieller Sichtprüfaufgaben gegeben. Basierend auf ihrer langjährigen Erfahrung legen die Autoren auch diejenigen Rezepte offen, die zwar üblicherweise nicht publiziert werden, für das Funktionieren von Bildverarbeitungssystemen jedoch wesentlich sind. Mit der als Download verfügbaren Testversion der Software kann das Gelesene nachvollzogen und eingeübt werden.

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Inhaltsangabe

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

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Inhaltsangabe

1. Einleitung

2. Querschnitt: Bildvorverarbeitung

3. Lageerkennung

4. Querschnitt: Segmentierung 5. Kennzeichnungsidentifikation

6. Querschnitt: Klassifikation

7. Maßprüfung

8. Querschnitt: Bildaufnahme und Beleuchtung

9. Anwesenheitskontrolle

10. Querschnitt: Objektmerkmale

11. Farbbildverarbeitung

12. Querschnitt: Fertigungsanbindung

13. Ausblick: Bildverarbeitungsprojekte

- A. Mathematische Ergänzungen

- Software-Download

- Literaturverzeichnis

- Index