Verzeichnungskorrektur

Andreas Mühlbauer,

Vogelperspektive für Fischaugen

Verzeichnete Bilder sind für industrielle Bildverarbeitungsapplikationen problematisch, da die Gefahr besteht, dass sie nicht auswertbar sind oder Fehler erzeugen. Mit Hilfe einer Echtzeitkorrektur für Verzeichnung, Shading und perspektivische Verzerrung bietet Baumer für die VeriSens-Vision-Sensoren nun einen einfachen Weg zur exakten Bildauswertung. Die korrigierten Bilder sehen dann aus wie aus der Vogelperspektive aufgenommen. 

Die monochromen VeriSens-700/800er-Modelle der XF- und XC-Serie lassen sich mittels Software-Update mit der Echtzeitkorrektur für Verzeichnung, Shading und perspektivischer Verzerrung nachrüsten. © Baumer

Kennen Sie Fischaugen-Objektive? Diese extremen Weitwinkel fangen eine ganze Szenerie in einem einzigen Bild ein. Doch so ein 180°-Rundumblick fordert seinen Tribut. Das Bild ist kreisförmig, und an den Rändern fließt es entsprechend zusammen. Der eigentliche Nachteil einer starken Verzeichnung dient mitunter als künstlerisches Element. Wie hält man es in der Welt von Machine Vision? Weitwinkel-Objektive sind hier häufig sinnvoll. Mit wenig Bauraum lässt sich ein großes Objekt aus der Nähe überwachen. Die damit einhergehende Objektivverzeichnung ist für die industrielle Bildverarbeitung jedoch meist kontraproduktiv, denn die Objekte sehen so erst einmal „krumm“ und damit fehlerhaft aus.

Eine ungewollte Abweichung des Bildes vom realen Objekt entsteht nicht nur durch die allseits gebräuchlichen sogenannten entozentrischen Objektive. Auch die Anordnung von Kamera beziehungsweise Vision-Sensor zum Objekt kann eine Rolle spielen. So entsteht eine veränderte Abbildung, wenn schräg oder seitlich auf das Objekt geschaut werden muss, um beispielsweise Robotern oder Menschen einen ungehinderten Zugriff im gleichen Arbeitsbereich zu ermöglichen.

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Bildverarbeitung in der Industrie zielt auf Ergebnisse, um Aussagen über die Qualität des Objektes zu treffen oder Position und Orientierung an ein Handling-System zu übermitteln. Ein verzerrtes oder verzeichnetes Objekt ist deshalb zur genauen Ergebnisfindung weniger geeignet. Bei Pick-and-Place-Applikationen funktioniert eine exakte Roboterpositionierung ohne Korrekturmaßnahmen gar nicht.

Sicht von oben

Eine einfache Methode ist, nicht das Bild, sondern ausschließlich die Koordinaten zu korrigieren, nachdem diese durch eine Kalibrierung eingelernt wurden. Das Problem dabei: Menschen nehmen ungefähr 80 Prozent der Informationen über die Augen auf. Eine Applikation an einem verzerrten Bild einzurichten und diesen Zustand später als Visualisierung zu nutzen, bleibt eine Herausforderung mit Fehlerpotenzial. Einfachheit und gute Bedienbarkeit sind gerade im komplexen Bereich der Bildverarbeitung entscheidend.

Mittels der Kalibrierplatte, die im Sichtbereich des Vision-Sensors platziert wird, lassen sich in Application Suite Bildverzeichnungen automatisch korrigieren und Weltkoordinaten einrichten. © Baumer

Die optimale Lösung ist deshalb, das gesamte Bild mittels Kalibrierung, mathematischer Verfahren und hoher Rechenleistung vollständig zu entzerren. Wie ist das möglich? Kennt man das ideale Bild, lässt sich anhand des durch den Vision-Sensor erfassten Bildes und einer bekannten Vorlage die Abweichung ableiten. So sind sogar eine seitlich verzerrende Sicht, wie sie bei schräger Montage auftreten kann, genauso wie die Verzeichnung durch das Objektiv mathematisch korrigierbar. Ausgewählte 700/800er-VeriSens-Modelle der XF- und XC-Serie unterstützen die Bildentzerrung in Echtzeit bereits oder lassen sich mit einem einfachen Software-Update nachrüsten. Nach einer Bildkalibrierung mittels einer Kalibrierplatte kennt der Vision-Sensor die Bildverhältnisse aus Einbauposition, Blickwinkel und Objektiv und korrigiert das gesamte Bild automatisch. So ähnelt es einer Draufsicht. Die Inspektionsaufgabe erfolgt damit auf einem „idealen“ Bild ohne störende Verzerrungen. Objekte entsprechen damit wieder dem durch den Menschen wahrgenommenen Aussehen. Das ist für den Anwender einfach und unterstützt so bei einer korrekten und schnell eingerichteten Applikation.

Das Kalibrieren ist ein einfacher und strukturierter Prozess, der kein Lesen einer Dokumentation erfordert. Intelligente Algorithmen im Hintergrund prüfen permanent die Kalibrierbedingungen und geben Hinweise, wann das Teachen sinnvoll ist. Der Anwender ist nur dort gefragt, wo die VeriSens-Vision-Sensoren weitere Informationen benötigen.

Integrierte Shading-Korrektur

Eine schräge Montage ändert auch die Beleuchtungsverhältnisse, da ein Teil der Lichtquelle weiter entfernt vom Objekt ist. Deshalb wurde gleichzeitig eine optionale Shading-Korrektur implementiert. Es genügt ein weißes Blatt Papier als Vorlage, um den Algorithmus mit einem Mausklick die Idealsituation einlernen zu lassen. Im Ergebnis geht dies dann mit in die Bildkorrektur ein und reguliert die Bildhelligkeit für jeden Bildpunkt passend zur Einbausituation.

Nach der Bildkalibrierung steht für die anschließende Inspektionsaufgabe ein komplett entzerrtes Bild zur Verfügung (links ohne Verzeichnungskorrektur, rechts nach Verzeichnungskorrektur). © Baumer

Der Abgleich mit Weltkoordinaten ist eine etablierte Funktion der VeriSens-Vision-Sensoren. Damit können sich statt Pixel beliebige Maßeinheiten verarbeiten lassen. Das unterstützt Anwendungen wie Maßprüfung und Pick-and-Place, bei denen die Denkweise in Pixeln oft nicht genügt. Das Einlernen der Weltkoordinaten profitiert von der Bildstruktur der Kalibrierplatte für die Bildverzeichnung und nutzt deren quadratische Struktur für eine automatische Einrichtung.

Exakte Bildauswertungen

Ein entzerrtes Bild ist eine optimale Voraussetzung für anspruchsvolle Maßprüfungen. Einflüsse der perspektivischen Lage des Objektes lassen sich zusätzlich zur Objektivverzeichnung reduzieren. Erleichtert werden auch Anwesenheits- und Vollständigkeitsprüfungen, bei denen der Vision-Sensor oft schräg montiert werden muss, um Spiegelungen zu vermeiden oder den Zugriff zu erleichtern. Aufgrund der Bildentzerrung hat dies keinen Einfluss mehr auf die Aufnahme und Prüfung von Objekten und Aufdrucken.

Nutzen Roboter zur Orientierung die Bildverarbeitung, kommt zum Roboter-Koordinatensystem, welches naturgemäß unverzerrt ist, das Koordinatensystem der Bildverarbeitung dazu. Ist dieses entzerrt, passend skaliert und auf Ursprung und Orientierung adaptiert, können dem Roboter direkte Positionen der Objekte übermittelt werden. Visuell gibt es dabei keinerlei Abweichungen zwischen Bild und Roboterorientierung. Bei fest installiertem Vision-Sensor über dem Roboter ist die Bildverarbeitung dem Roboter möglicherweise bei Pick-and-Place-Anwendungen im Weg. Eine schräge Installation löst das Problem unter Zuhilfenahme der Entzerrung. VeriSens-Vision-Sensoren sind dabei in der Lage, mehrere Objekte gleichzeitig zu erfassen und dem Roboter intelligenten Input zu geben. Dabei ist sowohl die optimale Anordnung der Objekte als auch die Berücksichtigung ungewünschter Teileüberlagerungen möglich.

Es ist heute möglich, auch bei Vision-Sensoren die Bildaufnahme ohne Zeitverzug zu entzerren und damit neue Freiheitsgrade für Applikationen zu gewinnen. Zahlreiche Anwendungen können davon profitieren. Entscheidend ist die Anwendbarkeit für „jedermann“, denn Bildverarbeitungsexperten sind rar gesät. VeriSens bietet diese Möglichkeiten unter Ausnutzung innovativer Algorithmik. Diese Funktionen lassen sich per Software-Update auch nachträglich in die monochromen 700/800er-Modelle der XF- und XC-Serie implementieren.

Michael Steinicke, Produktmanager im Vision Competence Center bei Baumer / am

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