Ein QR-Code, der auf einem stillstehenden Produkt zuverlässig gelesen werden kann, lässt sich auf einem laufenden Förderband unter Umständen deutlich schwieriger erfassen. Während der Bildaufnahme bewegt sich das Produkt weiter, solange der Sensor belichtet wird. Feine Strukturen und Kanten verteilen sich dadurch über mehrere Pixel, wodurch Bewegungsunschärfe entsteht, die in der industriellen Bildverarbeitung häufig als Pixel Blur oder Pixel Smear bezeichnet wird.
Eine kürzere Belichtungszeit reduziert den Pixel Smear, gleichzeitig gelangt jedoch weniger Licht auf den Sensor. Die optimale Belichtungszeit hängt deshalb von mehreren Faktoren ab, darunter Pixelauflösung, Fördergeschwindigkeit, Beleuchtung, Lichtpulsdauer und Duty Cycle. In diesem Artikel berechnen wir diese Parameter anhand einer QR-Code-Inspektion auf einem laufenden Förderband und zeigen, wie sich daraus geeignete Kamera- und Beleuchtungseinstellungen ableiten lassen.
Parameter für die QR-Code-Inspektion
QR-Code Version 3: 29 × 29 Module;
Modulgröße: 0,9 × 0,9 mm;
Fördergeschwindigkeit: 7 m/min;
mindestens vier Pixel pro Modul;
maximal zulässiger Pixel Smear: 0,8 Pixel;
Produktteilung: 100 mm;
Kamera mit Global Shutter.
Ohne die Ruhezone beträgt die Größe des QR-Codes:
29 × 0,9 = 26,1 mm
Mit einer Ruhezone von vier Modulen auf jeder Seite ergibt sich eine benötigte Fläche von:
(29 + 8) × 0,9 = 33,3 mm
Eine Rolling-Shutter-Kamera ist für diese Anwendung nicht geeignet, da die einzelnen Bildzeilen nacheinander und nicht gleichzeitig belichtet werden. Während der Aufnahme der einzelnen Zeilen bewegt sich das Produkt weiter, wodurch die Geometrie des QR-Codes verzerrt werden kann. Bei einem Global Shutter werden dagegen alle Pixel gleichzeitig belichtet, sodass diese bewegungsbedingte geometrische Verzerrung vermieden wird.
Berechnung der Pixelauflösung
Der in diesem Beispiel verwendete Decodieralgorithmus benötigt mindestens vier Pixel über die Breite eines QR-Code-Moduls. Bei einer Modulgröße von 0,9 mm ergibt sich daraus direkt die erforderliche Auflösung im Objektraum:
R = 0,9 mm ÷ 4 Pixel = 0,225 mm/Pixel
Ein Pixel darf auf dem Produkt somit maximal 0,225 mm abbilden. Für die Berechnung der Bewegungsunschärfe muss immer die Pixelauflösung in Bewegungsrichtung verwendet werden, da der Pixel Smear ebenfalls in dieser Richtung entsteht. Zusammen mit dem erforderlichen Sichtfeld und dem verfügbaren Arbeitsabstand lässt sich auf Basis dieses Wertes anschließend eine geeignete Kombination aus Kamera und Objektiv auswählen.
Berechnung der maximalen Belichtungszeit
Der Pixel Smear lässt sich mit folgender Formel berechnen:
Pixel Smear = (Produktgeschwindigkeit × Belichtungszeit) ÷ Objektauflösung
Eine Fördergeschwindigkeit von 7 m/min entspricht:
7.000 mm ÷ 60 = 116,7 mm/s
Daraus lässt sich die maximal zulässige Belichtungszeit wie folgt berechnen:
Maximale Belichtungszeit = (zulässiger Pixel Smear × Objektauflösung) ÷ Produktgeschwindigkeit
Bei einem maximal zulässigen Pixel Smear von 0,8 Pixel ergibt sich:
(0,8 × 0,225) ÷ 116,7 = 0,001543 s = 1,543 ms
Eine sinnvolle Belichtungszeit für die praktische Anwendung beträgt daher 1,5 ms. Bei dieser Einstellung ergibt sich folgender tatsächlicher Pixel Smear:
(116,7 × 0,0015) ÷ 0,225 = 0,78 Pixel
Eine deutlich kürzere Belichtungszeit ist nicht automatisch besser. Dadurch erreicht weniger Licht den Sensor, sodass gegebenenfalls eine größere Blendenöffnung, zusätzliche Kameraverstärkung oder eine leistungsstärkere Stroboskopbeleuchtung erforderlich wird, um eine vergleichbare Bildhelligkeit zu erzielen. Wenn der Decodieralgorithmus bereits bei einem Pixel Smear von 0,78 Pixel zuverlässig arbeitet, bringt die zusätzliche Bildschärfe einer wesentlich kürzeren Belichtungszeit in der Praxis möglicherweise keinen relevanten Vorteil.
Belichtungszeit und Beleuchtung in der Praxis testen
Die berechnete Belichtungszeit sollte möglichst mit der Kamera, dem Objektiv, der Beleuchtung und dem Produkt getestet werden, die später auch in der realen Anwendung eingesetzt werden. Idealerweise wird außerdem ein repräsentativer Abschnitt des tatsächlichen Förderbands in den Versuchsaufbau integriert, da dessen Farbe, Oberflächenstruktur und Reflexionseigenschaften das Kamerabild beeinflussen können. Dadurch lassen sich Kontrast und Bildqualität wesentlich realistischer beurteilen als bei einem Test des Produkts vor einem künstlichen Hintergrund.
Folgende Werte können als Ausgangspunkt für den Test verwendet werden:
Belichtungszeit: 1,5 ms;
Global Shutter aktiviert;
automatische Belichtung und automatische Verstärkung deaktiviert;
Gain so niedrig wie möglich;
feste Blendeneinstellung;
finaler Arbeitsabstand und Beleuchtungswinkel.
Sobald diese Einstellungen festgelegt sind, sollten die Übergänge zwischen den einzelnen QR-Code-Modulen auf ausreichende Schärfe geprüft werden. Gleichzeitig muss genügend Kontrast für eine zuverlässige Decodierung vorhanden sein. Kontrollieren Sie außerdem, ob überbelichtete Bildbereiche oder unerwünschte Reflexionen vom Produkt beziehungsweise von der Förderbandoberfläche auftreten, da diese Effekte die Lesbarkeit des QR-Codes deutlich beeinträchtigen können, selbst wenn die berechnete Belichtungszeit korrekt eingestellt ist.
Einfluss des Umgebungslichts prüfen
Lassen Sie sämtliche Kameraeinstellungen unverändert und schalten Sie ausschließlich die für die Machine-Vision-Anwendung vorgesehene Beleuchtung aus. Produkt, QR-Code und Förderband sollten anschließend nicht mehr genügend Kontrast aufweisen, um ein brauchbares Inspektionsbild zu erzeugen. Das Kamerabild muss dabei nicht vollständig schwarz sein, da Sensoroffset und Bildrauschen weiterhin ein geringes Hintergrundsignal erzeugen können.
Bleibt der QR-Code auch ohne die Machine-Vision-Beleuchtung deutlich sichtbar, können Veränderungen des Umgebungslichts das Inspektionsergebnis beeinflussen. In diesem Fall sollte die Blende weiter geschlossen und der Test anschließend mit eingeschalteter Machine-Vision-Beleuchtung wiederholt werden. Ist weiterhin ein relevanter Anteil an Umgebungslicht vorhanden, können eine mechanische Abschirmung oder ein auf die Wellenlänge der Beleuchtung abgestimmter Bandpassfilter die Prozesssicherheit deutlich erhöhen.
Beleuchtung durch die Kamera triggern
Die Beleuchtung sollte nur während der tatsächlichen Belichtungszeit der Kamera aktiv sein. Dadurch lässt sich der Lichtpuls präzise mit dem realen Belichtungsfenster synchronisieren und gleichzeitig eine unnötige thermische Belastung der LEDs vermeiden. Aus diesem Grund ist in der Regel folgende Triggerkette zu bevorzugen:
Produktsensor oder SPS → Kamera → Beleuchtungscontroller → Beleuchtung
Der Produktsensor oder die SPS triggert zunächst die Kamera, anschließend aktiviert der Exposure- oder Strobe-Ausgang der Kamera die Beleuchtung. Dadurch liegt der Lichtpuls tatsächlich innerhalb des Belichtungsfensters und wird nicht lediglich ungefähr zum gleichen Zeitpunkt ausgelöst. Interne Verzögerungszeiten der Kamera werden auf diese Weise automatisch in der Timing-Sequenz berücksichtigt.
Werden Kamera und Beleuchtung gleichzeitig von der SPS getriggert, können Triggerverzögerungen oder unterschiedliche Reaktionszeiten dazu führen, dass der Lichtpuls zu früh oder zu spät erfolgt. Besonders bei kurzen Belichtungszeiten können bereits vergleichsweise kleine Timing-Abweichungen die Lichtmenge beeinflussen, die tatsächlich vom Sensor erfasst wird. Die Folge können schwankende Bildhelligkeiten oder im Extremfall teilweise beziehungsweise vollständig dunkle Bilder sein.
Liefert der QR-Code bereits bei einer Belichtungszeit von 1,5 ms ausreichend Kontrast, ist kein Overdrive erforderlich. Die Beleuchtung kann dann mit ihrem Nennstrom betrieben und bei jeder Aufnahme einfach von der Kamera geschaltet werden. Da das Licht ausschließlich während der Bildaufnahme aktiv ist, reduziert sich die thermische Belastung und die Lebensdauer der Beleuchtung kann verlängert werden.
Weitere Informationen zu dieser Triggerarchitektur finden Sie unter Kameras in einem Machine-Vision-System triggern.
Wann ist Overdrive-Strobing erforderlich?
Liefert die Standardbeleuchtung innerhalb der verfügbaren Belichtungszeit von 1,5 ms nicht genügend Licht, sollten zunächst Beleuchtungswinkel, Arbeitsabstand und Objektivblende überprüft werden. Eine Verlängerung der Belichtungszeit erhöht den Pixel Smear, während ein zu hoher Kamera-Gain zusätzliches Bildrauschen verursacht und damit die Zuverlässigkeit der Inspektion reduzieren kann. Reicht die Lichtmenge auch nach Optimierung dieser Parameter nicht aus, kann der Einsatz von Overdrive-Strobing sinnvoll sein.
Im Overdrive-Betrieb werden die LEDs während eines kurzen Pulses mit einem Strom oberhalb ihres Nennstroms betrieben, um kurzfristig eine höhere Lichtleistung zu erzeugen. Dafür dürfen ausschließlich Beleuchtungen und Controller eingesetzt werden, die ausdrücklich für gepulsten Overdrive-Betrieb ausgelegt sind. Vor der Festlegung der endgültigen Einstellungen müssen deshalb der zulässige Spitzenstrom, die maximale Pulsdauer, der Duty Cycle, die maximale Triggerfrequenz und die erforderliche Abkühlzeit geprüft werden.
Der Lichtpuls kann kürzer sein als die Belichtungszeit der Kamera. Belichtet die Kamera beispielsweise 1,5 ms und erzeugt die Beleuchtung innerhalb dieses Belichtungsfensters lediglich einen Lichtpuls von 1,0 ms, bestimmt bei ausreichend unterdrücktem Umgebungslicht im Wesentlichen die Lichtpulsdauer die effektive Bewegungsunschärfe. Der daraus resultierende effektive Pixel Smear beträgt:
(116,7 × 0,001) ÷ 0,225 = 0,52 Pixel
Der vollständige Lichtpuls muss innerhalb des Belichtungsfensters der Kamera liegen. Bei der Timing-Berechnung müssen deshalb sowohl Triggerverzögerungen als auch die Ein- und Ausschaltzeiten des Controllers und der Beleuchtung berücksichtigt werden. Je kürzer Lichtpuls und Belichtungszeit werden, desto wichtiger wird eine exakte Abstimmung dieser Zeiten.
Weitere Informationen zu den grundlegenden Zusammenhängen finden Sie auch unter Machine-Vision-Beleuchtung triggern und stroben.
Produktteilung und Triggerfrequenz
Für die Berechnung des Duty Cycle wird neben der Fördergeschwindigkeit auch die Produktteilung benötigt. Die Produktteilung beschreibt den Abstand zwischen demselben Referenzpunkt zweier aufeinanderfolgender Produkte auf dem Förderband. Zusammen mit der Fördergeschwindigkeit bestimmt sie die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Inspektionstriggern.
Bei einer Produktteilung von 100 mm beträgt die Zeit zwischen zwei Produkten:
100 ÷ 116,7 = 0,857 s = 857 ms
Daraus ergibt sich folgende Triggerfrequenz:
1 ÷ 0,857 = 1,167 Hz
Für die Überprüfung der maximalen Triggerfrequenz sollten immer die höchste in der Maschine mögliche Fördergeschwindigkeit und die kleinste auftretende Produktteilung zugrunde gelegt werden. Zusätzlich sollten mögliche Doppeltrigger sowie Betriebszustände berücksichtigt werden, bei denen Produkte vorübergehend dichter aufeinander folgen als im normalen Produktionsbetrieb. Dadurch wird sichergestellt, dass Beleuchtung und Controller auch unter ungünstigsten Betriebsbedingungen innerhalb ihrer zulässigen Grenzwerte betrieben werden.
Duty Cycle und Abkühlzeit berechnen
Der Duty Cycle gibt an, wie viel Prozent der Gesamtzeit die Beleuchtung aktiv ist:
Duty Cycle [%] = Pulsdauer [s] × Triggerfrequenz [Hz] × 100
Bei einem Lichtpuls von 1,5 ms und 1,167 Triggern pro Sekunde ergibt sich:
0,0015 × 1,167 × 100 = 0,175%
Die verfügbare Abkühlzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsen beträgt:
857 ms − 1,5 ms = 855,5 ms
Die Beleuchtung ist somit 1,5 ms aktiv und hat anschließend 855,5 ms Zeit zum Abkühlen, bevor der nächste Lichtpuls ausgelöst wird. Sowohl der Duty Cycle als auch die erforderliche Abkühlzeit müssen innerhalb der Spezifikationen von Beleuchtung und Controller liegen. Idealerweise sollte der Controller außerdem Triggerimpulse blockieren, die innerhalb einer vom Hersteller vorgegebenen minimalen Sperrzeit eintreffen.
Ist der maximal zulässige Duty Cycle bekannt, lässt sich die theoretisch maximale Triggerfrequenz wie folgt berechnen:
Maximale Triggerfrequenz = maximaler Duty Cycle ÷ Pulsdauer
Bei einem maximalen Duty Cycle von 10% und einer Pulsdauer von 1,5 ms ergibt sich:
0,10 ÷ 0,0015 = 66,7 Hz
Dieser berechnete Wert stellt lediglich die theoretische Grenze auf Basis des Duty Cycle dar. Gibt das Datenblatt eine niedrigere maximale Triggerfrequenz oder eine längere minimale Abkühlzeit vor, haben diese Herstellerangaben immer Vorrang. Vor der Festlegung der endgültigen Betriebsparameter müssen deshalb grundsätzlich die zulässigen Grenzwerte der verwendeten Beleuchtung und des Controllers geprüft werden.
Maximaler Overdrive-Strom: ungefähr 3 × Inom
In der Praxis bringt es bei vielen Machine-Vision-LED-Beleuchtungen nur noch einen begrenzten zusätzlichen Nutzen, sie mit deutlich mehr als dem Dreifachen ihres Nennstroms zu betreiben:
Ipeak ≤ ungefähr 3 × Inom
Bei einer Beleuchtung mit einem Nennstrom von 1 A liegt eine praktische Obergrenze somit bei ungefähr 3 A. Die Lichtleistung steigt insbesondere bei hohen LED-Strömen nicht linear mit dem Strom an. Oberhalb von etwa 3 × Inom liefern viele LEDs nur noch vergleichsweise wenig zusätzliche Lichtleistung, während Verlustleistung und Sperrschichttemperatur deutlich zunehmen.
Dieser Wert ist als praktische technische Faustregel und nicht als allgemeingültige Produktspezifikation zu verstehen. Der zulässige Spitzenstrom hängt unter anderem vom verwendeten LED-Typ, der Wellenlänge, der Pulsdauer, dem Duty Cycle, dem thermischen Design und dem konstruktiven Aufbau der Beleuchtung ab. Die vom Hersteller der Beleuchtung angegebenen Grenzwerte haben deshalb grundsätzlich Vorrang.
Ein niedriger Duty Cycle bedeutet außerdem nicht, dass beliebig hohe Spitzenströme sicher verwendet werden können. Sowohl die LEDs selbst als auch interne Verdrahtung, Steckverbinder und Beleuchtungscontroller müssen jeden einzelnen Strompuls zuverlässig verarbeiten können. Die zulässige Spitzenstrombelastung muss daher unabhängig vom durchschnittlichen Duty Cycle geprüft werden.
Strobe-Controller mit Strombegrenzung auswählen
Bei Verwendung eines separaten Strobe-Controllers sollte vorzugsweise ein Modell gewählt werden, bei dem sich der maximale Ausgangsstrom begrenzen lässt. Dies bietet eine zusätzliche Schutzebene gegen fehlerhafte Softwareeinstellungen oder falsche Rezeptparameter. Ein Konfigurationsfehler kann dadurch nicht ohne Weiteres dazu führen, dass die Beleuchtung oberhalb ihres zulässigen Strombereichs betrieben wird.
Einige Controller können die angeschlossene Beleuchtung beim Einschalten automatisch erkennen und Parameter wie Strom, Pulsdauer oder Duty Cycle entsprechend begrenzen. Eine solche Schutzfunktion steht insbesondere dann zur Verfügung, wenn Controller und Beleuchtung als aufeinander abgestimmtes System entwickelt wurden. In der Dokumentation sollte jedoch immer geprüft werden, ob diese Funktion für die tatsächlich eingesetzte Kombination aus Controller und Beleuchtung unterstützt wird.
Werden Komponenten verschiedener Hersteller miteinander kombiniert, muss die Kompatibilität des Gesamtsystems durch den verantwortlichen Entwickler überprüft werden. Strom, Spannung, Pulsdauer, Duty Cycle, Abkühlzeit, Triggerpegel, Polarität und elektrische Anschlüsse müssen jeweils mit den entsprechenden Spezifikationen abgeglichen werden. Eine korrekte elektrische und zeitliche Kompatibilität darf nicht allein deshalb vorausgesetzt werden, weil die einzelnen Komponenten grundsätzlich für den Strobe-Betrieb geeignet sind.
Vom Pixel Smear zur zuverlässigen Bildaufnahme
Für diese QR-Code-Anwendung beträgt die erforderliche Objektauflösung 0,225 mm/Pixel. Bei einer Fördergeschwindigkeit von 7 m/min und einem maximal zulässigen Pixel Smear von 0,8 Pixel ergibt sich rechnerisch eine maximale Belichtungszeit von ungefähr 1,54 ms. Eine Einstellung von 1,5 ms hält die Bewegungsunschärfe damit innerhalb des vorgegebenen Grenzwerts und lässt gleichzeitig möglichst viel Licht auf den Sensor gelangen.
Liefert die Standardbeleuchtung bei dieser Belichtungszeit ausreichend Kontrast, sollte die Kamera die Beleuchtung mit deren Nennstrom triggern. Overdrive ist erst dann erforderlich, wenn nach Optimierung des optischen Aufbaus innerhalb des zulässigen Belichtungsfensters nicht genügend Licht zur Verfügung steht. In diesem Fall müssen vor der Festlegung der endgültigen Strobe-Einstellungen neben dem Spitzenstrom auch Produktteilung, Triggerfrequenz, Duty Cycle und verfügbare Abkühlzeit berücksichtigt werden.
Unterstützung bei der Berechnung von Belichtungszeit und Strobe-Parametern
Müssen Sie mit Ihrer Kamera ein bewegtes Produkt, Etikett, einen Barcode oder QR-Code ohne relevante Bewegungsunschärfe erfassen? Senden Sie uns das erforderliche Sichtfeld, die Kameraauflösung, Produktgeschwindigkeit, kleinste zu erkennende Struktur, Produktteilung und benötigte Bildaufnahmerate. Auf Basis dieser Parameter können wir die erforderliche Pixelauflösung, Belichtungszeit und Lichtpulsdauer berechnen und Sie bei der Auswahl einer geeigneten Kombination aus Kamera, Objektiv, Beleuchtung und Strobe-Controller unterstützen.
