Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 9 Jahren

1-2014

  • Text
  • Industrie
  • Einsatz
  • Anwendungen
  • Software
  • Serie
  • Embedded
  • Intel
  • Anwender
  • Bild
  • Sensoren
  • Klimaschrank
Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Bildverarbeitung

Bildverarbeitung Latenzzeiten zwischen Bild- und Signalverarbeitung minimieren Reprogrammierbare Echtzeit-Signalverarbeitung auf FPGA-Framegrabbern Bild 1: Klassische Lösung einer Bildverarbeitung und Signalsteuerung mit dezidierten Komponenten Es gibt unzählige Anwendungen in der Produktion, bei denen es auf extrem kurze Reaktionszeiten ankommt. Bei diesen “inline inspection“-Aufgaben werden visuelle Vorgänge aufgenommen und ausgewertet. Wenn es notwendig ist, wird in den Produktionsvorgang eingegriffen. Hierfür sind mehrere Prozesse notwendig, die unter strengen Zeitvorgaben ablaufen müssen. Klassische Bildverarbeitung Ein klassischer Aufbau (Bild 1) besteht aus der Bildaufnahme-, der Bildverarbeitungs- und der Signalsteuerungseinheit, die häufig technologisch voneinander getrennt sind. Die Bildaufnahme erfolgt mit einer Kombination einer Industriekamera mit oder ohne Framegrabber. Die Daten werden in den Arbeitsspeicher transferiert und über eine Bildverarbeitungssoftware ausgewertet. Liegen die Ergebnisse vor, werden entsprechende Events an eine I/O-Karte gesendet, die über eine Signalausgabe die Peripherie steuert. In den meisten Anwendungen, die nach diesem Prinzip aufgebaut sind, entstehen bei den Bearbeitungs- und Transferprozessen Zeitverzüge. Diese Latenzen addieren sich auf und geben die durchschnittliche Reaktionsgeschwindigkeit wider. Für viele Anwendungen Bild 2: Integrierte Hardwarelösung von Silicon Software mit Echtzeit- Bildverarbeitung und Signalsteuerung sind hohe Latenzen kein Problem bzw. wird die Anwendung auf die maximal erlaubten Latenzen konzeptioniert. Latenzen minimieren Um die Latenzen minimal zu halten, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Echtzeit-Betriebssysteme erlauben, die Zeitverzüge berechenbar zu machen. Zusätzlich kann eine hohe Investition in die technologische Rechnerausstattung sowohl das Systemverhalten, das Softwareverhalten als auch die Bildanalysezeit niedrig halten. Ein anderer Ansatz ist die Verwendung weniger, auf ein Echtzeitverhalten spezialisierter Komponenten. Ein FPGA basiertes „image processing board“ bietet sowohl die Möglichkeit der Bildaufnahme und -verarbeitung, gleichzeitig aber auch der Signalaufbereitung und Steuerung der Systemperipherie. Werden die gesamten Prozesse auf der Karte berechnet bzw. gesteuert, entstehen nur einmalig minimale Latenzen (pipelined processes) (Bild 2). Programmierbare Framegrabber und VisualApplets Silicon Software verfolgt mit seiner programmierbaren microEnable Framegrabberserie und Visual- Applets diesen Weg. Die Boards sind für Camera Link, CoaXPress, Camera Link HS, LVDS und GigE Vision erhältlich. Vorteil ist der Einsatz der gleichen Treiber- und SDK- Basis und garantiert hiermit eine parallele Entwicklung unterschiedlicher Systeme oder einen leichten Umstieg bei höheren Anforderungen. Visual.Applets ist eine Programmierumgebung für die grafische Entwicklung von Bildverarbeitungslösung mittels FPGA-Technologie. Diese Prozessoren garantieren eine Verarbeitung mit minimalen Latenzen und ein deterministisches Laufzeitverhalten in Echtzeit. VisualApplets Autor: Michael Noffz Leiter Marketing und Kommunikation Silicon Software GmbH Bild 3: Exemplarische Echtzeitlösung für eine Schüttgutanwendung mit Bildanalyse und Druckventilsteuerung 40 PC & Industrie 1/2014

Bildverarbeitung Bild 4: Umsetzung einer Laseransteuerung mit Bildverarbeitung und Signalsteuerung über VisualApplets bietet über 200 Bildverarbeitungsoperatoren in 14 Bibliotheken an, die für die FPGA-Hardware programmiert wurden und über Flussdiagrammmodelle kombiniert werden. Um Systeme steuern zu können, wird die Signalverarbeitungsbibliothek mit über 20 Operatoren eingebunden. Die Signale werden auf der microEnable generiert und an die GPIO-Schnittstelle (General Purpose Inputs-Outputs) weitergeleitet. Von dort werden sie über ein I/O-Modul (Programmable Automation Controller) oder direkt als gepulstes 3,3-V-LVTTL-Steuersignal an einen Servomotor, Linearantrieb oder anderen aktiven Aktuator weitergegeben. Aus den acht Ein- und Ausgängen der Triggerschnittstelle kann über ein externes Modul die Anzahl an multigeplexten Signalausgängen deutlich erhöht werden. Ein Anwendungsbeispiel Die Aufgabendefinition innerhalb des Forschungsverbundprojektes WELDone ist die latenzfreie Steuerung der Laserintensität beim Laserschweißen durch visuelle Kontrolle (Hochproduktive Schweißprozesse mit brillanten Laserstrahlquellen durch quantifizierende Prozessdiagnostik und -regelung). Die Prozessüberwachungs- und -steuerungsanwendung wird innerhalb der Förderinitiative Mabrillas realisiert, das von dem Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt wird. Ziel des Gesamtvorhabens ist die Erschließung des Anwendungspotenzials hochfokussierender Laserstrahlquellen in Bezug auf die vereinfachte Anwendung und maximierte Prozessgeschwindigkeiten bei der Materialbearbeitung sowie Sicherheit beim Durchschweißgrad. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Überwachung, Steuerung und Regelung der Prozesseingangsparameter sowie des Laserschweißprozesses verbessert werden. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Sicherstellung der Echtzeitfähigkeit dieser Prozesse, die zum Erreichen der hohen Prozessgeschwindigkeit benötigt werden. Um diese Ziele realisieren zu können, werden Prozesseingangsparameter (z.B. Relativgeschwindigkeit) erfasst und eine Prozessüberwachung auf Basis direkter, quantifizierbarer Messgrößen entwickelt. Es werden neuartige Verfahren geschaffen, um die komplexen Verfahrensstrategien massiv zu beschleunigen. Hierbei werden Bildverarbeitungsmethoden zur Berechnung der komplexen Verfahrensstrategien herangezogen. Teilziel von Silicon Software ist die Entwicklung eines Laserschweiß-Programmiersystems zur Echtzeitbildverarbeitung und Regelung stabiler und schnellster Laserschweißprozesse (Bild 4). Die einzelnen Bildverarbeitungsaufgaben teilten sich in folgende Teilprojekte auf: Überführung eines offline Algorithmus zur Temperaturbestimmung (Temperatur- und Emissionsgradbildberechnung) in eine echtzeitfähige, Laufzeit optimierte Bildverarbeitung. Adaption des offline Topographieverfahrens in ein Echtzeitverhalten bei einer Zielbildrate von 100 Hz und einer minimalen Verarbeitungsdauer (Latenz) von nur 30 µs. Aufgabe der Topographiebestimmung sind auch die Schweißfehlererkennung der Fehlerklassen Humps, Spritzer, Löcher und Nahteinfall, die über ein FPGA basiertes Echtzeitbildverarbeitungssystem realisiert wurden (Bild 5a und b). Entwicklung von Echtzeitverfahren zur Geschwindigkeitsbestimmung und Schmelzbadgeometrieanalyse für die Laserscanner- Steuerung um die Laserintensität innerhalb von 60 µs nachzusteuern. Die Laserscannersteuerung erfolgt mit optoentkoppelter DAC- Ansteuerung über ein Bit-serielles Protokoll mit einer Datenübertragung von 10 kHz bei 12 bit, Die Ansteuerung wird direkt über den FPGA auf dem Framegrabber ausgeführt, womit weitere Datenverarbeitungs-Latenzen vermieden werden und eine zusätzliche I/O-Karte eingespart wird (Bild 6). Fazit Mit der microEnable Framegraberserie und VisualApplets als Lösungsansatz wird eine latenzminimierte Verbindung zwischen Bildverarbeitung und Signalverarbeitung geschaffen. Über die grafische Programmierung der kompletten Aufgabenstellung als gemeinsame Implementierungbasis, können Ergebnisse an die Signalverarbeitung und somit direkt über die on-board GPIO Schnittstelle an eine Maschine weitergegeben werden. Für eine weitere I/O Karte besteht keine Notwendigkeit. Dieses ermöglicht die Entwicklung eines echtzeitfähigen autarken Systems, das für inline inspection in der Produktion oder für Robotik prädestiniert ist. Aber auch in Hinblick auf Industrie 4.0 mit einer „Stückzahl 1“-Produktionsvorgabe ergeben sich neue Möglichkeiten. • Silicon Software GmbH www.silicon-software.info 5a 5b Bild 5a: Im FPGA berechnetes Quotientenbild einer halbkugel förmigen Schmelze-Anhaftung; 5b: daraus erzeugtes Binärbild. Bild 6: Schema des Echtzeit-Bildverarbeitungssystems mit Kamera, Framegrabber und Laserscanner-Anbindung PC & Industrie 1/2014 41

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel