11-2018

Bildverarbeitung Was

Bildverarbeitung Was braucht man für ein robustes Bildverarbeitungssystem? Bild 1: Einflüsse auf die Auswahl eines Bildverarbeitungssystems Autor: Mark Williamson, Director – Corporate Market Development STEMMER IMAGING info@stemmer-imaging.de www.stemmer-imaging.de Dabei gibt es eine Reihe von Faktoren, die eine entscheidende Rolle spielen, angefangen bei den Einflüssen des industriellen Umfeldes über Abweichungen bei den Prüfobjekten bis hin zur Auswahl der einzelnen Bildverarbeitungskomponenten. Besonders letzteres stellt eine große Herausforderung dar, denn die optimalen Komponenten für ein Bildverarbeitungssystem auszuwählen bedarf eines profunden Know-hows und umfangreicher Erfahrung, über die meist nur Systemintegratoren und Spezialanbieter verfügen. Es gibt nämlich einen gravierenden Unterschied zwischen einer Lösung, die im Testlabor funktioniert, und einer, die sämtlichen Herausforderungen Kurz gefasst eines Einsatzes in rauer Industrieumgebung gewachsen ist. Was macht ein robustes Bildverarbeitungssystem aus? Welche Voraussetzungen müssen dafür erfüllt werden? Der Begriff Robustheit bedeutet in diesem Zusammenhang mehr als reine Zuverlässigkeit. Es handelt sich vielmehr um die Zuverlässigkeit, mit der ein System die natürlichen Schwankungen seiner Betriebsumgebung auffangen kann Anforderungen an das Bildverarbeitungssystem Bildverarbeitungssysteme bestehen aus vielen Einzelkomponenten, wie Optiken, Beleuchtungen, Kameras, Komponenten für die Bilderfassung und Datenübertragung sowie Software-Tools für die Bildverarbeitung, Vermessung und Auswertung. Die Möglichkeiten der industriellen Bildverarbeitung sind dank des enormen technologischen Fortschritts auf allen Gebieten exponentiell gewachsen. Die Komplexität eines Systems wird durch die spezifischen Anforderungen einer Anwendung bestimmt. Um ein robustes Bildverarbeitungssystem zu erhalten, kommt es bei der Auswahl der Komponenten nicht so sehr darauf an, dass sich mit ihnen die gewünschten Messaufgaben durchführen lassen (richtige Auflösung, Bildrate, Messalgorithmen usw.), sondern auch auf die maschinellen Voraussetzungen und 122 PC & Industrie 11/2018

Bildverarbeitung die äußeren Umwelteinflüsse. In einem industriellen Umfeld gibt es eine Vielzahl von Einflussfaktoren wie zum Beispiel Abweichungen bei den Prüfobjekten, Handling, Positionierung, Prozessschnittstellen, Vibrationen, Umgebungslicht, Temperatur, Staub, Wasser, Öl oder elektromagnetische Strahlung. Extrem raue Industrieumgebungen erfordern oft auch den Einsatz von speziellen Schutzgehäusen wie z. B. spritzwassergeschützte Kameragehäuse in hygienesensitiven Umgebungen. Man kann jedoch durchaus auch in vielen industriellen Anwendungen auf Standardkomponenten zurückgreifen. Die industrielle Umgebung als Herausforderung Äußere Einflüsse können zweierlei Auswirkung haben. Zum einen können sie Schäden an Bildverarbeitungskomponenten verursachen, zum anderen können sie Messergebnisse signifikant beeinflussen. Das wird besonders deutlich, wenn Bildverarbeitungssysteme starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Die meisten modernen Kameras sind für Temperaturbereiche zwischen -5 °C und 65 °C ausgelegt. Auch wenn die Kameras in diesem Bereich keinen Schaden nehmen, so bewirken hohe Temperaturen dennoch erhöhtes Rauschen in den Aufnahmen des Kamerasensors. Dieser Effekt lässt sich jedoch mit der richtigen Beleuchtung vermeiden, denn eine ausreichend helle Beleuchtung sorgt für eine signifikante Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses. Leistung von LED-Beleuchtungen Darüber hinaus beeinflusst die Temperatur die Leistung von LED- Beleuchtungen, der am häufigsten verwendeten Lichtquelle in der industriellen Bildverarbeitung. Mit zunehmender Erwärmung der LEDs nimmt ihre Helligkeit ab. Dieses Problem lässt sich durch den Einsatz einer Beleuchtungssteuerung, die die Lichtleistung an ein Temperaturkompensationsprofil der LED anpassen kann, in den Griff bekommen. LEDs selbst erzeugen neben Licht auch Wärme, was nicht nur ihre Alterung beschleunigt, sondern auch zum Totalausfall führen kann, und daher ein effizientes Wärmemanagement erfordert. Temperaturbeständige Komponenten Andere Komponenten können nach ihrer Temperaturbeständigkeit ausgewählt werden. Industrielle und Embedded-PCs beispielsweise stehen zwar mit einer enormen Rechenleistung zur Verfügung, so wie es moderne Bildverarbeitungssysteme erfordern. Werden sie jedoch in einem großen Temperaturbereich lüfterlos betrieben, sind sie nicht selten anfällig für Fehler. Der Temperaturbereich spielt aber nicht nur bei der Auswahl der Bildverarbeitungskomponenten für ein robustes System eine wichtige Rolle, sondern er hat auch signifikanten Einfluss auf die zu vermessenden Prüfobjekte. So können beispielsweise Temperaturschwankungen zur Ausdehnung oder Kontraktion bei metallischen Bauteilen führen, was Abweichungen von den tatsächlichen linearen und volumetrischen Abmaßen nach sich zieht. Bei 3D-Systemen führen Änderungen in der Sensorgeometrie zu Messfehlern, es sei denn die Sensorkalibrierung beinhaltet eine Funktion zur Temperaturkompensation. Im Folgenden werden eine Reihe weiterer Umgebungsbedingungen aufgeführt, denen man durch die Auswahl der richtigen Komponenten Rechnung tragen kann, wie z.B.: Schock und Vibration Viele 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 Qua- CXP Embedded Image Engine a DATAWIN company CIS Super Speed Contact Camera USB 3.0 4 x CXP-6 high image quality with true tri-linear RGB video capture speeds of 3.5 m/s in 200 DPI, 2.2 m/s in 300 DPI and 0.6 m/s in 600 DPI supports BAPis and third-party cameras with CXP interface wide range of processing, detection, and compression features available 2 x G-Link compact size, 308 mm (12”) high quality with 3 x 10-bit image signal processing path in the camera and image enhancement functions already built into the camera works with external line and/or frame triggers; compatible with any certified third party CoaXPress grabber and BAP CXP Embedded Image Engine via CoaXPress 6.25 Gbps interface BAP Image Systems GmbH Etzstr. 37 84030 Ergolding, Germany Tel: +49-871-430 599 22 Fax: +49-871-430 599 29 BAP Image Systems, LLC 1120 South Freeway, Ste 214 Fort Worth, TX 76104, USA Tel: +1-817-878-2773 Fax: +1-817-878-2739 info@bapimaging.com | www.bapimaging.com PC & Industrie 11/2018 123