Bildbasierte Autofokus-Lösung mit Algorithmen auf Framegrabber FPGA

Worum geht es?

Die beiden gebräuchlichsten Ansätze zur Autofokussierung sind die bild- und die laserbasierte Autofokussierung. Die laserbasierte Autofokustechnik ist sehr schnell, aber eine ihrer Hauptbeschränkungen ist, dass der Autofokus-Algorithmus eng an die Hardware-Spezifikationen gebunden ist. Auch der Integrationsaufwand ist sehr hoch. Im Vergleich dazu ist die bildbasierte Autofokussierung aufgrund ihrer Einfachheit und Flexibilität für viele industrielle Anwendungen besser geeignet.

Für die bildbasierte Autofokussierung benötigen Sie eine Optik (z. B. eine Flüssiglinse), um Objekte aus unterschiedlichen Entfernungen in die Schärfentiefe zu bringen. Außerdem werden Algorithmen benötigt, um die Aufnahmen, die während der Fokusveränderung gemacht wurden, auszuwerten und das am besten fokussierte Bild auszuwählen.

Was war die Herausforderung?

Eine Flüssiglinse wird auch als fokussierbare Flüssiglinse bezeichnet. Um die Brennweite auf den gewünschten Wert einzustellen, werden elektrische Signale angelegt, die die Krümmung der optischen Flüssigkeiten im Inneren verändern. Auf diese Weise kann der Arbeitsbereich der Linse mit festem Fokus vergrößert und schnell angepasst werden.

Die Systemingenieure haben jedoch noch zwei große Aufgaben vor sich, um die Autofokusfunktion in ihr System zu integrieren. Die erste besteht darin, die Flüssiglinse mit der ausgewählten Bildverarbeitungskamera zu synchronisieren. Die zweite besteht in der Entwicklung von Software-Algorithmen, die die Bildqualität bewerten und das am besten fokussierte Bild unter mehreren Aufnahmen ermitteln. Gleichzeitig müssen die Ingenieure auch die CPU-Ressourcen berücksichtigen.

Ein Systemingenieur und ein Bildverarbeitungsingenieur müssten wochen- oder monatelang zusammenarbeiten, um die verschiedenen Hardwarekomponenten und APIs aufeinander abzustimmen und die Algorithmen zu entwickeln.

Die Lösung

Bei der bildbasierten Autofokus-Lösung von Basler ist die Frontend-Optik eine Flüssiglinse und der Algorithmus wird auf Baslers Framegrabber FPGA entwickelt.

Die Kamera und die fokussierbare Linse (Flüssiglinse) werden anhand eines von der Bilderfassungskarte erzeugten Triggersignals synchronisiert. Die Kamera nimmt dann Bilder im Takt der sich ändernden Fokussierung des Objektivs auf, sodass eine Serie von Bildern mit verschiedenen Fokussierungen aufgenommen wird. Anschließend wählt der vorentwickelte Autofokus-Algorithmus auf dem FPGA der Basler Bilderfassungskarte ein Bild aus den vielen Aufnahmen aus und gibt das am besten fokussierte Bild als Ergebnis aus.

Vorteile

• Flexibilität: Eine Flüssiglinse kann mit jedem Objektiv mit fester Brennweite verwendet werden und ermöglicht die Anpassung der Brennweite ohne physische Veränderung des Arbeitsabstands.

• Sparen Sie Zeit und Systemressourcen: Die Implementierung der Bildverarbeitung auf dem vorinstallierten Framegrabber FPGA spart Ingenieuren erhebliche Entwicklungszeit. Außerdem wird der Algorithmus ohne Verwendung von CPU-Ressourcen ausgeführt.

• Weitere Möglichkeiten: Diese Lösung lässt sich auch mit hochvergrößernden Optiken realisieren.