Es gibt verschiedene Arten von Bildverarbeitungssystemen, die für unterschiedliche Aufgaben in der industriellen Anwendung jeweils optimal geeignet sind. Die Bandbreite reicht von einfachen Vision Sensoren, Intelligenten Kameras, PC basierten Systemen bis hin zu Systemen, die auf speziell entwickelten Vision Controllern beruhen.
Die speziellen technischen Möglichkeiten des Systems, sowie die Kosten bestimmen letztlich für welchen Anwendungsfall ein System geeignet ist und eingesetzt wird.
Vision Sensoren sind die günstigste und einfachste Variante, die für einfache Aufgabenstellungen wie Anwesenheitskontrollen, Positionskontrollen oder Codelesen geeignet sind.
Sie sind meist mit integrierter LED-Beleuchtung, einer fest eingebauten Optik, die für ein bestimmtes Blickfeld mit festem Arbeitsabstand ausgelegt ist, und oft in einem kompakten IP 67 Gehäuse verfügbar.
Die Sensorauflösung ist meist begrenzt und geringer als 2 Megapixel. Die Softwarefunktionalität und Flexibilität ist ebenso eingeschränkt. Die Prüfprogramme werden in der Regel mit einem leicht bedienbaren Benutzerprogramm auf einem separatem PC erstellt. Rechenleistung und Schnittstellen der Vision Sensoren sind auf die einfachen Anwendungen hin ausgelegt.
Abbildung 1: Hervorragend für einfache Prüfungen geeignet, wie z.B. die Anwesenheitskontrolle der Steuerbanderole auf Zigarettenschachteln
PC basierte Lösungen stellen die flexibelste Form der Bildverarbeitungssysteme dar. Hier wird sehr oft Microsoft Windows als Betriebssystem eingesetzt. Als PCs werden Industrie PCs mit nach oben offener Rechenleistung verwendet, die gegebenenfalls durch Grafikprozessoren (GPUs) noch erweitert werden kann. Die offene Busarchitektur dieser PCs ermöglicht den Einsatz beliebiger Schnittstellen.
Für die Bilderfassung können die verschiedensten Kameravarianten mit den gängigen Schnittstellen Gigabit Ethernet, USB3, CameraLink oder CoaxPress genutzt werden. Die Bilder können von einer oder mehreren Matrixkameras, Zeilenkameras, 3D-Sensoren, Wärmebildkameras oder Hyperspektralkameras stammen. Bezüglich Sensorgröße stehen Kameras bis 150MP zur Verfügung. Bei der Benutzersoftware ist ebenfalls die volle Bandbreite verfügbar. Es reicht von der intuitiven und komfortablen Benutzeroberfläche bis hin zur kundenspezifischen Speziallösung. Für die eigentliche Bildverarbeitung, und Ergebnisberechnung stehen umfangreiche Programmierbibliotheken zur Verfügung. Die Berechnungen werden von der CPU/GPU des Industrierechners durchgeführt.
Abbildung 2: Multikameraanwendung: 8 Kameras, die an einem Industrierechner angeschlossen sind, überprüfen in einer Anwendung die bearbeiteten Oberflächen von Motorblöcken.
Rechner, Monitor, Bedieneinheiten und elektrische Komponenten sind in einem gekühlten 19“-Schaltschrank verbaut.
Vision Controller sind leistungsstarke Komplettsysteme, meist mit 2-4 Kameraanschlüssen ausgestattet. Sie sind nicht ganz so flexibel und adaptierbar wie die PC-basierten Systeme. Dafür sind sie auf hohe Bildraten, Verarbeitungsgeschwindigkeit und exaktes Timing der Bildübertragung und Datenausgabe getrimmt. Vision Controller verfügen in der Regel über ein Echtzeit-Betriebssystem und mehrere spezielle Prozessoren (ASIC, RISC, DSP), die verschiedene Operationen ausführen. Sie finden sich oft in der Massenfertigung von Konsumgütern oder in Anlagen für metallische Kleinteile und elektromechanische Komponenten, Stanzen oder der Getränkeindustrie.
Intelligente Kameras, sind die klassische „Ein-Kamera-Lösung“. In einer intelligenten Kamera sind der bildgebende Sensor (meist Matrixsensor in monochrom oder Farbe), Bildspeicher, die Prozessoren und Schnittstellen ähnlich wie beim Vision Sensor in einem kompakten Gehäuse, in der Regel auch IP67 geschützt untergebracht.
Sie stellen allerdings eine gehobenere Leistungsklasse dar, mit größeren Sensoren (aktuell bis 12MP), vielseitigeren Schnittstellen, mehr Rechenleistung und effektiveren Beleuchtungseinheiten. Auch die Palette der verfügbaren Bildverarbeitungstools ist bei den meisten intelligenten Kameras beeindruckend hoch. Normalerweise sind die intelligenten Kameras auch Echtzeit-fähig.
Wie bei den Vision Sensoren werden die Prüfprogramme der intelligenten Kameras mit einem leicht bedienbaren Benutzerprogramm auf einem separatem PC erstellt. Einfache Programmanpassungen können somit nach einer Schulung auch anwenderseitig vorgenommen werden.
Abbildung 3: Intelligente Kamera In-Sight von Cognex mit integrierter Beleuchtung.
Ein wesentlicher Unterschied zu den Vision Sensoren ist der offen zugängige Objektivanschluss (C-Mount) an den beliebige Objektivtypen in Bezug auf Brennweite, Abbildungsqualität und Bauart angeschlossen werden können. Dies ermöglicht z.B. den Einsatz von Makroobjektiven für die Prüfung sehr kleiner Objekte oder von telezentrischen Objektiven für Messanwendungen.
Unser Partner Cognex bietet mit der aktuellen In-Sight Serie die wohl umfangreichste und auch flexibelste Reihe von intelligenten Kameras an. Die Intelligenz reicht hier sogar bis zur Integration der Deep Learning Software ViDi.
Die Einsatzgebiete sind ebenso weitreichend wie die intelligenten Kameras flexibel sind. Sie werden in beinahe allen Industriebereichen zur Qualitätsprüfung, zum Messen und zur Prozessüberwachung eingesetzt. Häufig werden die Kameras auch in Robotik-Anwendungen eingesetzt, wo Koordinaten oder Gut-/Schlechtentscheidungen als Ergebnisse berechnet und übergeben werden.
Abbildung 4: Rohrendenprüfung: Eine Intelligente Kamera mit spezieller Optik und Beleuchtung überprüft Rohrenden auf Durchmesser, Rundheit und Gratbildung.
Auch in rauer Umgebung oder zur Integration in Maschinen und Anlagen sind Sie vorteilhaft, weil Sie kompakt sind und schon ein IP67 fähiges Gehäuse besitzen und anders wie im Fall der PC-Lösung, bei welcher ein zusätzlicher Rechner nicht aufwendig in einem Schaltschrank geschützt werden muss.
Für die Bildverarbeitung steht eine Vielzahl von verschiedenen Tools zur Verfügung. Alle diese Tools können in beliebiger Reihenfolge verknüpft und ausgeführt werden, so dass in der Summe komplexe Prüfungen durchgeführt werden können. Teilweise sind die Tools so stark an bestimmte Aufgabenstellungen angepasst, dass notwendige Einzelschritte schon automatisch erzeugt werden und der Anwender sich dann auf die Justage der letztlich relevanten Parameter, die die Qualität des Produktes kennzeichnen, konzentrieren kann. Im Fall der Cognex In-Sight Systeme sind dies die Tools zur Kanteninspektion, Druckbildkontrolle Kleberaupeninspektion, Pin-Inspektion und Codeleser.
Typische Software Funktionen der Cognex In-Sight sind:
- Bildoperatoren zu Filterung, Bildvergleich, Transformation, Shape from Shading, etc.
- Blobanalyse zur Extraktion, Bewertung und Zählen von Objekten oder Fehlstellen
- Defekterkennung entlang von Objektkanten oder innerhalb Flächen
- Druckinspektion, Kleberaupeninspektion
- Positions- und Lageerkennung
- Muster- und Konturerkennung zur Teilerkennung sowie zur Lage- und Positionsbestimmung
- Messtools (Caliper) für Längen- und Abstandsmessung sowie zur Kreisbestimmung
- Lesetools für 1D und 2D Codes sowie OCR
… und viele weitere Zusatztools wie z.B. Kalibrierung, Autofocus, Beleuchtungssteuerung u.sw.