Kante zeigen
Sind Kanten wichtig, greifen Anwender zu Monochromkameras. Handelt es sich um eine Farbanwendung, dann verwenden sie eine Dreichip-kamera, bei der pro Pixel ein echtes RGB-Signal erzeugt wird. Allerdings sind auch Einchip-Farbkameras mit Bayer-Filter und optimiertem Interpolationsalgorithmus im Stande, Ähnliches zu leisten.
Bild: Matrix Vision GmbHGerade im Bereich Medizintechnik oder in der industriellen Präzisionsfarbmessung, bei denen die Abbildung der Prüfobjekte möglichst farbecht sein sollte, kommen Farbkameras zum Einsatz.
Bild: Matrix Vision GmbH
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Bild: Matrix Vision GmbHLineare Interpolation
Im Gegensatz dazu müssen bei Einchip-Farbkameras Informationen, die nicht vorhanden sind, ergänzt werden, das heißt, auf einen Monochromchip werden mittels aufgebrachtem Debayer-Filter pro Pixel entsprechende Wellenlängen des Lichts durchgelassen oder nicht. Somit trägt jeder Pixel die Information einer Farbe. Da Grün beim menschlichen Auge den größten Beitrag zur Helligkeitswahrnehmung und damit auch der Schärfe leistet, besteht der Debayer-Filter zu 50 Prozent aus Grün. Um jeweils fehlende Farben bei Pixeln zu ergänzen, findet eine bilineare Interpolation statt. Hierbei wird der Wert des zu bestimmenden Farbpixels mit Hilfe der Nachbarschaftspixel der jeweiligen Farbe gemittelt. Beispielsweise ist der Pixel 22 in Bild 3 ein roter Pixel. Um den Grünwert zu bestimmen, wird folgende Formel verwendet:
Gleichzeitig werden die jeweiligen Nachbarpixel der gleichen Farbe angepasst:
Bei Rot und Blau wird entsprechend verfahren. An einer grünen Position werden die zwei Nachbarpixel gemittelt:
An einer blau bzw. roten Position werden die diagonalen Nachbarn gemittelt:
Bis zu 30 Prozent der Auflösung (besonders bei Rot und Blau) geht durch die Interpolation verloren, was sich bei Details wie Kanten besonders auswirkt. Das Titelbild a) zeigt das Bild einer 12MP Monochromkamera, wobei das Bild soweit vergrößert wurde, bis die einzelnen Pixel zu erkennen sind. Die Grenze der Auflösung liegt erkennbar in der mittleren Balkengruppe. Bei einer Einchip-Farbkamera mit bilinearer Interpolation wird das Bild unschärfer und dunkler, da die Quanteneffizienz bei Farbe kleiner ist. In der Regel werden 40 Prozent mehr Licht bei Farbe benötigt, falls ein IR-Cutfilter zum Einsatz kommt. Was aber für Kantendetektion schlimmer ist, sind die Alias-Effekte, da die Interpolation keine Rücksicht auf die Kanten nimmt. Allerdings sind Alias-Effekte immer auf ein bis zwei Pixelbreite beschränkt und bei hoher Auflösung betrifft das nur sehr kleine Bereiche, dennoch kann das in der Bildverarbeitung zu fehlerhaften Interpretationen führen.
Adaptiver Ansatz
Der Debayer-Filter-Ansatz 'Adaptive Edge Sensing Plus' von Matrix Vision schaut sich an, wie Kanten verlaufen und filtert entsprechend ortsabhängig und schärft diese Bereiche nach. Im oberen Signalpfad wird versucht, den Grünkanal vollständig zu rekonstruieren. Anschließend wird versucht, die Differenzwerte aus der Grünebene sowie Rot und Blau der jeweiligen Ebene zu bilden, diese zu interpolieren und wieder mit den Werten der Grünebene zu addieren. Es ergeben sich aus diesem Verfahren sehr wenig falsche Farben und keine Alias-Effekte. Die Grünrekonstruktion basiert auf einen Gradient, welcher die jeweilige Vorzugsrichtung ermittelt und somit Kanten berücksichtigt. Anschließend werden die Farben Blau und Rot über (R-G) und (B-G) interpoliert und der bereits bekannte Grünwert wieder aufaddiert. Der zweite untere Signalpfad kann parallel aus denselben Bayer-Daten verarbeitet werden und stellt einen simplen Hochpassfilter dar, welcher die etwas weiter entfernten (durch das Objektiv geglätteten) Farbinformationen nutzt und somit nicht ganz so Rausch-empfindlich ist. Ein Threshold-Filter mit dem Threshold-Parameter und eine abschließende Verstärkung heben Kanten weiter hervor und halten den Rauschanteil etwas zurück. Der Debayer-Filter vermeidet so fast völlig Alias-Effekte und schärft das Bild so weit nach, dass fast die Schärfe von Monochromkameras erzielt wird. Beide Debayer-Filter, sowohl der lineare als auch der adaptive, schlagen sich, falls diese Treiberseitig auf dem Host ausgeführt werden, jeweils mit circa 20 bis 25 Prozent CPU-Last nieder. Auf die erforderliche längere Belichtungszeit müssen Anwender nicht achten, da diese automatisch nachgeregelt wird. Ferner wird keine zusätzliche CPU-Leistung im Host-System für die Berechnung benötigt, da dieses Feature bereits in das FPGA der neuen 10GigE-Kamerafamilie mvBlueCougar-XT eingebunden und daher Kamera-seitig ausgeführt werden wird. Darüber hinaus wird zusätzlich mit der automatischen Belichtungsregelung das dunklere Farbbild aufgehellt, sodass der Anwender nicht manuell bei der Belichtung eingreifen muss und dennoch die volle CPU-Last für seine Bildverarbeitung zur Verfügung steht.
Sind Kanten wichtig, greifen Anwender zu Monochromkameras. Handelt es sich um eine Farbanwendung, dann verwenden sie eine Dreichip-kamera, bei der pro Pixel ein echtes RGB-Signal erzeugt wird. Allerdings sind auch Einchip-Farbkameras mit Bayer-Filter und optimiertem Interpolationsalgorithmus im Stande, Ähnliches zu leisten.
Bild: Matrix Vision GmbHGerade im Bereich Medizintechnik oder in der industriellen Präzisionsfarbmessung, bei denen die Abbildung der Prüfobjekte möglichst farbecht sein sollte, kommen Farbkameras zum Einsatz.Bild: Matrix Vision GmbHBild: Matrix Vision GmbH
Matrix Vision GmbH
Dieser Artikel erschien in inVISION 5 2018 - 30.10.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.invision-news.de
