Licht macht das Bild: Beleuchtung in der industriellen Bildverarbeitung

Bildverarbeitung

Ein Prüfsystem läuft in der Erprobung tadellos. An der Linie meldet es plötzlich Fehler, die niemand sieht – nachmittags häufiger als morgens. Der Algorithmus ist unschuldig, das Licht hat sich geändert. In der Bildverarbeitung entscheidet die Beleuchtung, was überhaupt im Bild steht. Kein Filter holt später zurück, was die Kamera nie gesehen hat.

Licht ist ein Werkzeug, kein Zubehör

Ein Fotograf im Studio fragt nicht zuerst nach der Kamera, sondern danach, wo das Licht steht. In der Bildverarbeitung ist es genauso. Der Leitfaden von National Instruments nennt vier Stellschrauben: die Geometrie, also die Anordnung von Teil, Licht und Kamera; die Struktur, also die Form des Lichts auf dem Teil; die Wellenlänge, also die Farbe; und Filter, die bestimmte Wellenlängen oder Lichtrichtungen sperren. Wer diese vier gezielt einstellt, braucht später weniger Algorithmus.

Geometrie: Hellfeld oder Dunkelfeld

Entscheidend ist, wohin eine glatte Fläche das Licht spiegelt. Fällt die Spiegelung in die Kamera, ist die Fläche hell, und jede Störung erscheint dunkel: Hellfeld. Kommt das Licht flach von der Seite, spiegelt die glatte Fläche an der Kamera vorbei und bleibt dunkel. Nur Kanten, Kratzer und Prägungen streuen Licht ins Objektiv und leuchten auf: Dunkelfeld. Daraus ergeben sich die wichtigsten Bauformen:

Zwei Details machen oft den Unterschied. Diffuses Durchlicht erzeugt an glänzenden runden Teilen wie Wellen oder Schrauben einen Randeffekt, gerichtetes telezentrisches Licht vermeidet ihn weitgehend. Und eine Kuppel wirkt nur, wenn sie nah am Teil sitzt.

Wellenlänge: Farbe gegen Farbe

Eine einfache Regel trägt weit: Licht in der Farbe einer Fläche lässt sie hell erscheinen, Licht in der Gegenfarbe dunkel. Eine rote Aufschrift auf weißem Karton verschwindet unter rotem Licht fast. Unter grünem oder blauem Licht wird sie dunkel und kontrastreich. Oft ist deshalb eine Monochromkamera mit farbigem Licht die bessere Wahl als eine Farbkamera mit Weißlicht.

Auch jenseits des Sichtbaren gibt es Werkzeuge. Infrarotlicht gleicht Farbunterschiede aus, etwa wenn wechselnde Bedruckung die Formprüfung stört, und dringt in manche Kunststoffe tiefer ein. Blaues Licht dringt weniger tief ein und eignet sich für Merkmale direkt an der Oberfläche. Ultraviolettes Licht regt Fluoreszenz an.

Filter und Fremdlicht

Gegen Hallenlicht und Sonne gibt es drei Mittel: kurze, starke Lichtblitze, die das Umgebungslicht überstrahlen und nebenbei Bewegung einfrieren; eine Einhausung; und Filter. Ein Bandpassfilter, der nur die Wellenlänge der eigenen LEDs durchlässt, hält viel Fremdlicht draußen. Polarisationsfilter, paarweise an Licht und Kamera, dämpfen Glanz. Sie schlucken aber viel Licht, und eine längere Belichtung bringt Bewegungsunschärfe zurück.

Beleuchtungen objektiv vergleichen

„Sieht besser aus“ ist kein Kriterium. Nehmen Sie dieselben Teile unter jeder Beleuchtung auf und messen Sie, wie deutlich sich das Merkmal vom Hintergrund abhebt und wie viel des Bildes übersteuert ist:

import cv2
import numpy as np

def bewerte(datei, merkmal, hintergrund):
    """Bildausschnitte jeweils als (x, y, breite, hoehe)"""
    bild = cv2.imread(datei, cv2.IMREAD_GRAYSCALE)

    def werte(ausschnitt):
        x, y, b, h = ausschnitt
        return bild[y:y + h, x:x + b].astype(np.float64)

    m, g = werte(merkmal), werte(hintergrund)
    # Abstand der Mittelwerte im Verhältnis zur Streuung: je größer, desto robuster
    trennmass = abs(m.mean() - g.mean()) / (m.std() + g.std() + 1e-6)
    uebersteuert = np.mean(bild >= 255) * 100
    return trennmass, uebersteuert

for datei in ["ringlicht.png", "dunkelfeld.png", "kuppel.png"]:
    t, u = bewerte(datei, merkmal=(410, 220, 40, 40), hintergrund=(470, 220, 40, 40))
    print(f"{datei}: Trennmaß {t:.1f}, übersteuert {u:.2f} %")

Ein großes Trennmaß heißt: Das Merkmal hebt sich auch dann sicher ab, wenn das Bild rauscht. Übersteuerte Pixel tragen keine Information mehr. Werten Sie mehrere Teile und mehrere Aufnahmen aus, auch Grenzmuster, und wählen Sie die Beleuchtung mit dem besten schlechtesten Wert – nicht die mit dem schönsten Einzelbild.

Aus der Praxis

In Laborgeräten wie dem Auslesegerät für die digitale PCR im Verbundprojekt FREEDOM steuert unsere Software Kamera und LEDs selbst. Das Licht wird damit Teil der Software: Beleuchtung und Belichtung werden gemeinsam geschaltet, und die Lichteinstellung gehört zur Aufnahme wie die Belichtungszeit.

Typische Fehler

• Weißlicht mit Farbkamera, wo farbiges Licht mit Monochromkamera mehr Kontrast bringt.
• Die Kuppel mit Abstand montieren. Diffuse Kuppeln wirken nur nah am Teil.
• Polfilter vorsorglich einbauen und dann mit langer Belichtung gegen die Dunkelheit kämpfen.
• Übersteuerte Bilder hinnehmen. Wo Pixel am Anschlag sind, ist die Information weg.
• Die Helligkeit für konstant halten. Alterung, Wärme und Verschmutzung verändern sie. Ein Referenzteil oder eine regelmäßige Kontrollaufnahme zeigt die Drift.
• Den Augenschutz vergessen. Starkes UV-Licht und Laser brauchen eine Abschirmung.

Quellen: National Instruments, „A Practical Guide to Machine Vision Lighting“; Opto Engineering, „Illumination geometries and techniques“; Fallstudie „Software für ein Auslesegerät zur digitalen PCR“ (BMBF-Verbundprojekt FREEDOM), Cadida-Fallstudien.