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Industrielle Bildverarbeitung

Bildverarbeitungssysteme auslegen und integrieren

Die industrielle Bildverarbeitung macht IT-getrieben rasante technische Fortschritte. Mit immer klügeren Algorithmen und leistungsfähigerer Optik und Robotik lassen sich die Systeme zur Qualitätssicherung so vielfältig einsetzen wie noch nie. Doch was macht ein robustes Bildverarbeitungssystem aus und welche Voraussetzungen müssen dafür erfüllt werden?

Industrielle Bildverarbeitung - Beispiel für ein ausgefeiltes mehrstufiges Prüfsystem für Schraubverbindungen

Bild: Gefra GmbH

Der Begriff Robustheit bedeutet im Zusammenhang mit industrieller Bildverarbeitung mehr als nur Zuverlässigkeit. Es handelt sich dabei vielmehr um die Zuverlässigkeit, mit der ein System die natürlichen Schwankungen seiner Betriebsumgebung auffangen kann. Dabei spielen unterschiedliche Faktoren eine entscheidende Rolle. Diese reichen von den Einflüssen des industriellen Umfeldes über Abweichungen bei den Prüfobjekten bis hin zur Auswahl der einzelnen Bildverarbeitungskomponenten. Bildverarbeitungssysteme bestehen aus Einzelkomponenten wie Optiken, Beleuchtungen, Kameras, Komponenten für die Bilderfassung und Datenübertragung sowie Software-Tools für die Bildverarbeitung, Vermessung und Auswertung. Die Komplexität eines Systems wird durch die Anforderungen einer Anwendung bestimmt. Um ein robustes Bildverarbeitungssystem zu erhalten, kommt es bei der Auswahl der Komponenten nicht zwangsläufig nur darauf an, dass sich mit ihnen die gewünschten Messaufgaben durchführen lassen, sondern auch auf die maschinellen Voraussetzungen und die Umwelteinflüsse. Bei der Wahl der Komponenten ist oft auch die Erfahrung der Integratoren gefragt, da sich eine funktionsfähige Lösung im Testlabor deutlich von jener unterscheiden kann, die den Herausforderungen einer rauen Industrieumgebung wirklich gewachsen ist.

Die Umgebung beeinflusst

Äußere Einflüsse können Schäden an Bildverarbeitungskomponenten verursachen und Messergebnisse beeinflussen. Dies kann der Fall sein, wenn Bildverarbeitungssysteme starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Die meisten modernen Kameras sind für Temperaturbereiche zwischen minus -5°C und 65°C ausgelegt. Auch wenn die Kameras in diesem Bereich keinen Schaden nehmen, kann es durch die hohen Temperaturen zu einem erhöhten Rauschen in den Aufnahmen des Kamerasensors kommen. Mit der richtigen Beleuchtung kann dieser Effekt vermieden werden. Andere Komponenten, wie die für die Bildverarbeitung benötigten Industrie- und Embedded-PCs sollten ebenfalls nach ihrer Temperaturbeständigkeit ausgewählt werden. Der Temperaturbereich hat aber nicht nur Einfluss auf die Auswahl der Komponenten, sondern auch auf die zu vermessenden Prüfobjekte. Temperaturschwankungen können beispielsweise zur Ausdehnung oder Kontraktion bei metallischen Bauteilen führen, was Abweichungen von den tatsächlichen linearen und volumetrischen Abmaßen nach sich zieht. Darüber hinaus gibt es noch weitere Umgebungsbedingungen, die bei der Auswahl der Komponenten eine Rolle spielen:

  • Schock und Vibration – Moderne Kameras bieten hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit. Für Anwendungen, bei denen sich die Kamera bewegen muss, stehen roboter- und schleppkettentaugliche Kabel zur Verfügung. Arretierbare Steckverbinder verhindern, dass sich diese durch Vibrationen lösen. Robuste PCs und Embedded-Computer bieten eine hohe mechanische Stabilität. Im Optikbereich sorgen Objektive mit fester Brennweite in Metallfassungen mit Fixierschrauben für entsprechenden Schock- und Vibrationsschutz, und Filter für den nötigen Schutz der Objektivoberfläche.
  • Umgebungslicht – Tageslichtsperrfilter ermöglichen den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen unabhängig vom Umgebungslicht und kompensieren selbst stark wechselnde Lichtverhältnisse oder direkte Sonneneinstrahlung. Mit einer lichtstarken, gepulsten LED, verkürzter Sensorbelichtungszeit und kleinerer Blende lassen sich Auswirkungen von Umgebungslicht ebenfalls minimieren. Auch der Wellenlängenbereich ist entscheidend. So sind beispielsweise Messungen im Infrarotbereich nicht den Schwankungen des sichtbaren Lichts ausgesetzt.
  • Staub, Schmutz, Wasser – Viele Kameras sind in Gehäusen der Schutzklasse IP65/67 erhältlich und damit wirksam vor Staub, Schmutz und Spritzwasser geschützt. Staub, Schmutz, Dampf oder Flüssigkeiten können sich auf der LED oder der Optik absetzen und somit die Lichtmenge, die den Sensor erreicht, reduzieren. Diesem Problem kann man durch verschiedene Maßnahmen beikommen: durch Erhöhung des Gain-Werts bei der Kamera, durch entsprechende Software oder durch Anpassung der Ausgangsleistung der LED.

Um verlässliche Messergebnisse zu bekommen, ist es daher besonders wichtig, die Gesamtheit der Einflussfaktoren entsprechend zu berücksichtigen. Denn diese haben signifikante Auswirkung auf die Qualität des Bildmaterials, das wiederum die Basis für die Messungen ist.

Die Messungen

Die Messvorgänge werden je nach Konfiguration des Bildverarbeitungssystems durchgeführt. Intelligente Kameras verfügen über integrierte Bilderfassungs-, Verarbeitungs- und Auswertungsfunktionen. Kompakte Embedded-Systeme für anspruchsvolle Bildverarbeitungs- und Automatisierungsanwendungen, die den Einsatz mehrerer Kameras erfordern, stellen diese Funktionen in der Rechnereinheit zur Verfügung. Bei PC-basierten Systemen wird die Software auf dem PC installiert. Die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messergebnisse hängt von den verwendeten Softwarealgorithmen und ihrer Subpixel-Genauigkeit ab. Hochwertige Softwareprodukte und -bibliotheken bieten oft robustere Softwaretools als niedrigpreisige oder Open-Source-Systeme. Oft können jedoch Unterschiede nur durch direkten Vergleich und mit unterschiedlichen Prüfumgebungen bewertet werden. Heutige Bildverarbeitungssysteme tolerieren sogar eine geringe Abweichung der Produktgröße oder -form und können auch Naturprodukte, die zwangsläufig Abweichungen aufweisen, zuverlässig klassifizieren. Aber selbst bei den robustesten Bildverarbeitungssystemen können äußere Einflüsse zu schlechten Messergebnissen führen. Beispielsweise können starke Vibrationen unscharfe Aufnahmen verursachen oder eine abweichende Teilezuführung kann zur Folge haben, dass das Prüfobjekt aus einer anderen Perspektive erfasst wird. Bei bewegten Objekten ziehen zu lange Belichtungszeiten vielleicht Bewegungsunschärfe nach sich.

Wenn der Augenschein trügt

Ein Fallstrick für den ungeübten Bildverarbeiter ist der signifikante Unterschied zwischen dem menschlichen Auge und dem Bildaufnahmesystem. Das menschliche Auge passt sich einem erkennbar hohen Dynamikumfang automatisch an, während eine fest installierte Kamera nicht in der Lage ist, gleichzeitig sehr helle und sehr dunkle Bereich zu erfassen. Durch ein Oberlicht einfallende Sonneneinstrahlung oder der Schatten des Maschinenbedieners können Aufnahmen signifikant verändern, während das menschliche Auge diese Einflüsse unbewusst kompensiert.

Industrielle Bildverarbeitung - Einflüsse auf die Auswahl eines Bildverarbeitungssystems

Bild: Stemmer Imaging AG

Planung und Spezifikation

Die Planung, Spezifikation und Implementierung eines geeigneten Bildverarbeitungssystems sollte mehr beinhalten als nur die Auswahl der robustesten Bildverarbeitungskomponenten. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der VDI-Richtlinien VDI/VDE/VDMA 2632 für die industrielle Bildverarbeitung, herausgegeben von der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, die in Zusammenarbeit mit dem VDMA Industrielle Bildverarbeitung in Deutschland entwickelt wurde. Teil 2 dieser Richtlinie beinhaltet den ‚Leitfaden für die Erstellung eines Lastenheftes und eines Pflichtenheftes‘, in der die Darstellung und Beschreibung von Einflussfaktoren sowie deren Auswirkungen besonders hervorgehoben werden. Dieses Framework beginnt den Spezifikationsprozess, indem es die Applikation im Detail bewertet, wie:

  • Exakte Ermittlung der Messaufgabe
  • style=“margin-bottom: 8px;“Festlegung der Zielvorgabe der Prüfung, der zu validierenden Merkmale und Musterteile und der besonderen Anforderungen
  • Identifikation aller Details des Prüfobjekts wie Typenspektrum, vorgelagerte Prozesse, Objektkontaminierung, thermische und mechanische Objektstabilität
  • Beschreibung des Vorgangs in Bezug auf Positionierung, Maschine und Umfeld, störende Umgebungseinflüsse
  • Beschreibung des Prozesses, einschließlich Prozessintegration, Schnittstellen, räumliche Einschränkungen, Betriebsmodi
  • Ermittlung von Zusatzinformationen, wie Mensch-Maschine-Schnittstelle, Bedienkonzept, Visualisierung

Das Vorgehen nach dieser Richtlinie (VDI/VDE/VDMA2632-2) ermöglicht nicht nur die Ermittlung einer optimierten Lösung, sondern stellt auch sicher, dass bei der Angebotseinholung von mehreren Lieferanten neben denselben Begriffen und Definitionen auch eine konsistente Terminologie verwendet wird. Damit können zwei Systeme gut miteinander vergleichen werden.

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