Verhindern von wärmeinduzierter Bildverzerrung in Zeilenkameras für maschinelles Sehen

Aus der astronomischen Bildgebung ist bekannt, dass verschiedene atmosphärische Bedingungen und Wettereffekte einen Einfluss auf die Bildqualität haben. Dies liegt an lokalen Änderungen des Brechungsindex der Luft im Strahlengang. Diese Änderungen sind wellenlängenabhängig und variieren mit Änderungen des atmosphärischen Drucks und seiner Feuchtigkeit.

Im Bereich der Bildverarbeitung können sowohl der Druck als auch die Feuchtigkeit in der Regel über den gesamten Strahlengang als konstant angenommen werden. Es gibt jedoch eine Ausnahme von dieser Regel, wenn turbulente Luftströmungen im Strahlengang vorhanden sind, die lokale Druckänderungen verursachen können. Eine typische Ursache für Turbulenzen ist die Wärmekonvektion zwischen Teilen mit unterschiedlichen Temperaturen. Übliche Wärmequellen in der Bildverarbeitung können entweder die Beleuchtung, Hochlastelektronik oder Hochtemperaturproben wie gegossenes Metall sein.

Einfluss auf die Bildgebung

Die unterschiedlichen Brechungsindizes in der turbulenten Luft wirken wie eine Verlaufslinse, die den Bildinhalt in den betroffenen Bereichen verzerrt. Die Größe und Ausdehnung des Verziehens ist sowohl zu komplex als auch zu abhängig von der Einrichtung, um sie mathematisch zu modellieren. Stattdessen zeigen wir eine Beispielmessung dieses Effekts, um seine typische Größe darzustellen und Sie bei der Messung in Ihrem eigenen Setup zu unterstützen.

Bei einer Zeilenkamera ist die optische Verzerrung für jede Zeile entlang der Scanrichtung konstant und daher im Bild nicht sichtbar. Diese Tatsache reduziert das Problem auf eine räumliche Dimension – senkrecht zur Scanrichtung – und die zeitliche Dimension. Beide Dimensionen können gleichzeitig beobachtet werden, indem mit der Zeilenkamera ein Bild eines statischen Ziels aufgenommen wird. Die optische Verzerrung verschiebt die Position des Bildinhalts in x-Richtung, während die Verlängerung der Verzerrung in y-Richtung die Zeitinformation darstellt.

Diese Verschiebung kann leicht gemessen werden, indem ein statisches Linienmuster abgebildet wird. Das Grundprinzip dieser Messung ist in Abbildung 1 dargestellt. Ein Referenzbild-Intensitätsprofil wird durch Mittelung eines interessierenden Bereichs erstellt, der einen Bereich von einigen Spalten um jede x-Position (grün dargestellt) umfasst. Ein quadratischer Testblock (rot dargestellt) wird entlang der gesamten Spalte geführt und für jede Position werden die Testdaten in Subpixelschritten durch Interpolation verschoben. Die Verschiebung mit der höchsten Korrelation zwischen Test und Referenz wird für jedes Pixel aufgezeichnet und kann in einem Farbskalenbild dargestellt werden, um die Daten zu visualisieren.

Abbildung 2 zeigt diese Visualisierung aus einem statischen Linienmusterbild, das mit einer Chromasens allPIXA-Kamera mit 5 μm optischer Auflösung aufgenommen wurde. Als Wärmequelle diente in diesem Fall die Chromasens Corona II Tubelight-Beleuchtung, die mit maximalem LED-Strom betrieben wurde. In diesem Aufbau liegt die Größe der optischen Verzerrung im Bereich von <0,15 Pixel. Die Turbulenzen sind im Schichtbild als Bereiche ähnlicher Verzerrung sichtbar. Sie erstrecken sich über eine Größe von 10mm - 30mm und bestehen für 200ms - 800ms.

Diese Messung zeigt, dass die Größe der Bildstörung aufgrund von Wärmekonvektion einer Standardbeleuchtung keine merklichen Auswirkungen auf Standardinspektionsaufgaben hat. Spezialisierte Bildverarbeitungsaufgaben, die von Subpixel-Genauigkeit abhängen (z. B. Subpixel-genaue Merkmalsextraktion oder Subpixel-basierte Bildkorrelation), weisen jedoch aufgrund dieser Verzerrungen wahrscheinlich eine verringerte Messgenauigkeit auf.

Unterdrückung von Image Warping

Der Bildverzerrungseffekt kann unterdrückt werden, indem die Turbulenzen verhindert werden. Zu diesem Zweck kann ein Ventilator verwendet werden, um einen laminaren Luftstrom zu erzeugen. Da der Druck in einer laminaren Strömung konstant ist, treten keine Gradientenlinseneffekte auf. Der Luftstrom muss entweder die gesamte Oberfläche der Wärmequelle oder das gesamte Volumen des optischen Wegs abdecken, wo wahrscheinlich Turbulenzen auftreten.

Die zweite Option ist typischerweise einfacher für Zeilenkameras zu realisieren, da der optische Weg auf eine Ebene beschränkt ist. Der Lüfter kann daher seitlich der Kamera mit Strömungsrichtung entlang der Sensorleitung eingebaut werden. Im obigen Beispiel muss die Luft im Volumen direkt unter dem Sichtschlitz der Tubuslampe von einer laminaren Strömung durchströmt werden. Da die Seitenwände der Beleuchtung einen direkten seitlichen Zugang für den Luftstrom blockieren, wurde der Lüfter oben auf der Tubuslampe installiert und bläst in einem geneigten Winkel in den Sichtschlitz, wie in Abbildung 3 gezeigt. Diese Methode reduzierte das Ausmaß der Verzerrung auf eine nicht wahrnehmbare kleine Größe.

Schlussfolgerung

Eine Wärmequelle in der Nähe des Strahlengangs kann eine Bildverzerrung einführen, die die Position des Bildinhalts lokal verschiebt. Bei Zeilenkameras gibt es ähnlich verschobene Bildbereiche, die mehrere mm des Sichtfeldes abdecken und in einem Zeitfenster von etwa einer Sekunde auftauchen und wieder verschwinden. Die Subpixelanalyse von Bildinhalten wird durch diese Verschiebung negativ beeinflusst. Um diesen Effekt zu unterdrücken, empfiehlt es sich, das gesamte von Turbulenzen betroffene Volumen entlang des Strahlengangs mit einem laminaren Luftstrom aus einem Ventilator abzudecken.

Dieser Artikel wurde verfasst von Timo Eckhard, Team Leader, Research &Innovation, Innovation &IP Management; und Sebastian Georgi, Research &Innovation Manager, Chromasens GmbH (Konstanz, Deutschland). Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Herrn Eckhard unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann., Herr Georgi at Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .