Bildverarbeitung - synchronisiertes Hochenergie Überstrom Strobing

Advanced illumination - Strobing Techniken für Machine Vision
Neue LED-Beleuchtungstechnologien (PresseBox) (Olching, ) Allgemein erklärt bezeichnet Strobing das schnelle Blinken eines Lichts. Strobing-Beleuchtung wurde für die Hochgeschwindigkeitsprüfung entwickelt, wobei das Timing oft an ein externes Ereignis gekoppelt ist. In Machine-Vision-Anwendungen kann Strobing auch mehrfache Blitze als Reaktion auf ein oder mehrere Ereignisse während mehrerer Kamerabelichtungszeiten umfassen. Von den in Machine-Vision am häufigsten verwendeten Lichtquellen sind nur LED- und Xenon-Lichtquellen für Strobing gut geeignet.

Strobing wird zum Einfrieren von Bewegung verwendet. Die Belichtungszeiten müssen immer so kurz gehalten werden, dass die Objektbewegung auf dem Kamerasensor weniger als einen Bildpunkt beträgt – das notwendige Minimum, um ein ausreichendes Prüfergebnis zu erzielen. In den meisten Fällen muss die Lichtintensität im Ausgleich für die kürzeren Belichtungszeiten proportional erhöht werden. LEDs können mit höheren Stromstärken betrieben werden, um eine größere Lichtleistung zu erzielen − diese als Überstrom-Strobing bekannte Technik erlaubt der LED deutlich mehr Strom pro Zeiteinheit aufzunehmen, wodurch die Leistung gesteigert und die Wärmeerzeugung auf einem Minimum gehalten wird.

Die Wirksamkeit und der Umfang der Überstromkapazität hängen eng mit dem Tastverhältnis des Lichts und in einem geringeren Umfang mit dem Leuchtentyp sowie der Qualität der Ansteuerungselektronik zusammen. Nach Synchronisation mit der Kamera kann die Lichtintensität das Umgebungslicht effektiv überstrahlen und dafür sorgen, dass nur das gewünschte Licht den Sensor erreicht. Da eine Kamera bei offenem Verschluss jedes verfügbare Licht einfängt, kann durch die Erhöhung der Lichtleistung und Verringerung der Verschlusszeit erreicht werden, dass keine weiteren Methoden notwendig sind, um die Menge an unerwünschtem Licht zu kontrollieren, das den Sensor erreicht.

Der Intensitätssteigerung ist durch die unvermeidbare Wärmeerzeugung eine praktische Grenze gesetzt, doch bei Verwendung innerhalb sicherer Betriebsparameter hat das Strobing für eine LED den zusätzlichen Vorteil, dass die LED-Lebensdauer verlängert wird. In Situationen, in denen Wärme ein zu bedenkender Faktor ist, kann durch zusätzliche Wärmeableitung die Temperatur der LEDs kontrolliert werden.

Im Folgenden werden konstante Beleuchtung und zwei Strobing-Techniken für Machine-Vision-Anwendungen vergleichend gegenübergestellt.
Konstante Beleuchtung mit 100 % Tastverhältnis stellt die häufigste Form der Beleuchtung beim maschinellen Sehen dar (Abb. 1). Tastverhältnis = (Einschaltzeit / Gesamtzeit x 100 %).

Siehe Bild 1 – Bilderfassung bei konstanter Beleuchtung

Der Vorteil konstanter Beleuchtung besteht in der einfachen Implementierung und Anwendung, was im Allgemeinen auch relativ niedrige Kosten impliziert. Konstante LED-basierte Beleuchtung profitiert beträchtlich von der Verwendung einer Treiberelektronik mit konstanter Stromquelle gegenüber einem reinen Spannungsbetrieb.
Zwei bedeutende Nachteile von konstanter Beleuchtung sind die mangelnde Lichtintensität bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen und die hohe Wärmegenerierung.

Zwei häufig eingesetzte Strobing-Modelle sind einfaches Schwachstrom-Blinken und Hochenergie-Überstrom-Strobing. In beiden Fällen wird der Lichtblitz typischerweise als Reaktion auf ein externes, periodisch auftretendes Ereignis synchron zur Kamerabelichtung gezündet. Timing, Häufigkeit (Wiederholungs- oder Blitzrate) und Dauer (Impulsbreite) werden entweder durch die interne Schaltung des Strobe-Controllers bestimmt oder extern über einen Trigger.

Die Unterschiede zwischen den Modellen sind:
1) Die Variation in der Lichtblitzdauer gegenüber der Kamerabelichtungszeit
2) Die Stromstärken zur Erzeugung der Blitze
3) Die verfügbare Beleuchtungsintensität pro Zeiteinheit während des Blitzens

Beim einfachen Schwachstrom-Blinkmodell (Abb.2), das mit konstanter Stromstärke betrieben wird, ist das Licht oft mindestens während der gesamten Kamerabelichtungszeit eingeschaltet, um die Lichtaufnahme wegen der relativ begrenzten Intensität zu maximieren. Diese Blitztechnik wird wegen ihrer einfachen und weniger kostspieligen Implementierung eingesetzt. Sie hat ihre Grenzen, kann jedoch bei Anwendungen mit relativ niedriger Geschwindigkeit akzeptabel sein.

Siehe Bild 2 – Synchronisiertes Schwachstrom-Strobing


Bei Hochgeschwindigkeitsprüfungen bietet Hochenergie-Überstrom-Strobing mehrere Vorteile. Zwei häufig angewendete Methoden zur Implementierung von Überstrombetrieb: 1) Impulsgabe von Hochstrom direkt aus einer Gleichstromquelle und 2) Impulsgabe aus einer externen Stromquelle unter Verwendung von Kondensatoren. In beiden Implementierungen muss das Hochenergie-Überstrom-Strobing mit einem Tastverhältnis von unter 1 % erfolgen, bei dem das Licht weit mehr Strom pro Zeiteinheit verarbeiten kann als bei einem Tastverhältnis von 100 %, wodurch die Lichtleistung erhöht wird (Abb. 3).

Siehe Abb.3 – Synchronisiertes Überstrom-Strobing

Abb. 4 zeigt ein Beispiel für Hochenergie-Überstrom-Strobing an einem Fließband. Unter der an der Decke montierten Umgebungsbeleuchtung der Fabrik (Abb. 4a) reicht die Lichtintensität bei einer Kamerabelichtungszeit von 200 µs (erforderlich zum Einfrieren der Bewegung) nicht aus, um die Anwesenheit der Ampullen zu prüfen oder diese zu zählen. Bei dedizierter konstanter Beleuchtung bei gleichmäßiger Stromstärke und einer inakzeptablen 2,5-mal längeren Kamerabelichtungszeit sind die Ampullen zwar sichtbar, aber wegen verschwommener Aufnahmen und niedrigem Beleuchtungsgrad schwer zu zählen (Abb. 4b). Durch Senken des Tastverhältnis auf unter 0,5 % und Erhöhen des Stroms auf das 5-fache der konstanten Stromstärke ist es möglich, die Bewegung bei 200 µs einzufrieren und die Ampullen zu prüfen und zu zählen (Abb. 4c).

Siehe Bild 4
4a Umgebunglicht 200 µs Belichtungszeit
4b Konstante Beleuchtung 500 µs Belichtungszeit
4c 5x Überstrom-Strobing 200 µs Belichtungszeit


Hochenergie-Überstrom-Strobing nutzt die Eigenschaft von LED-Leuchten, Wärme bei sehr niedrigem Tastverhältnis (typ. < 1 %) abzuleiten, was eine höhere Stromzufuhr und damit hellere Lichtblitze erlaubt. Das Strobing steigert die Helligkeit der Beleuchtung und verlängert gleichzeitig die Lebensdauer der LED-Lampe. Bei der Anwendung von Überstrom-Strobing mit sehr niedrigem Tastverhältnis ist unbedingt zu beachten, dass die Belichtungszeit der Kamera der Einschaltzeit des Leuchtenkopfes entsprechen muss. Andernfalls wird vom CCD-Sensor auch zusätzliches Umgebungslicht gesammelt, das den kurzzeitigen Blitz überlagert. Anwender sollten zwischen Strobing-Techniken mit konstanter Stromstärke (d. h. Blinken ohne Überstrombetrieb) und solchen mit Überstrom-Strobing unterscheiden, da sich die erzielten Ergebnisse erheblich unterscheiden. Autor © Daryl Martin

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