Qualitätskontrolle mit Höchstgeschwindigkeit

Kamillo Weiß, Freier Fachjournalist, Leinfelden-Echterdingen

Die weltmeisterlichen Leistungsdaten und die zur Verfügung stehenden Funktionalitäten der neuen Kamera sowie dem neuen Framegrabber sind in der industriellen Bildverarbeitung derzeit einzigartig. Nüchterne Einschätzungen in der Anforderung von High-End-Lösungen komplexer industrieller Bildverarbeitung haben zur Entwicklung dieser „Formel 1 Boliden“ geführt. Damit werden neue Lösungsansätze in der Bildverarbeitung als auch in der Prozessgestaltung geschaffen.

Die Qualitätssicherung mittels Bildverarbeitung ist heute von strategischer Bedeutung für den Markterfolg der Unternehmen. Quer durch alle Branchen muss der gesamte Prozess von Produktion, Materialfluss und Identifikation schneller und gleichzeitig in erheblich besserer Qualität zuverlässig gestaltet werden. Dabei werden auch in der Flexibilität immer höhere Anforderungen gestellt.

In der Vergangenheit beschränkte sich die Aufgabenstellung der Bildverarbeitung hauptsächlich auf den eigentlichen Kernbereich der messtechnischen Verfahren – wie Positionsbestimmung, Merkmalskontrolle usw. – und Identifikation von Klarschrift und Codes. In oft klassischer Weise erfolgte die exakte Zuführung der zu kontrollierenden Teile in einer häufig aufwändigen Gestaltung von Mechanik, Sensorik und Steuerung. Eingeschränkte Flexibilität und höherer Kostenrahmen einer Vision-Lösung konnten sich nachteilig niederschlagen.

Die Realisierung gänzlich neuer Lösungsansätze effektiverer Bildverarbeitung zusammen mit neuen Wegen in der Gestaltung des Produktionsprozesses scheiterte nicht zuletzt oft an der Leistungsfähigkeit und Funktionalität der Vision-Hardware. Heute aber wird in viel stärkerem Maße bei der Projektierung einer BV-Lösung darauf geachtet, ob sich gleichzeitig zusätzlich entscheidende Vorteile für die gesamte Prozessgestaltung erzielen lassen. Hier liegen noch viele bislang ungenutzte Potentiale.

In vielen Fällen gilt es die immer schnellere Produktion von Präzisionsbauteilen mit der Bildverarbeitung in Hochgeschwindigkeit effektiver zu gestalten. Das gilt beispielsweise für das Ziel, nicht mechanisch geführte Objekte wie fallende oder fliegende Teile der Massenproduktion exakt zu Kontrollieren. Höchstgeschwindigkeits-Bildverarbeitung kann aber auch die hochflexible Kontrolle von Labeln unterschiedlicher Art und Größe am schnell laufenden Band erfordern, um sie als zertifizierte Rollen weiter zu verarbeiten.

Viele anspruchsvolle Anwendungen scheiterten bislang an der Realisierung variabel einstellbarer sehr hoher Bildfrequenzen mit gleichzeitig beliebig gestaltbarem aktivem Bildausschnitt, als auch einfacher gestalteten Triggerung, um die Teile immer exakt in derselben Position zu erfassen. Hier geriet der Einsatz konventioneller Sensorik und Kameras schnell an die Grenzen der Möglichkeiten. In der Machbarkeit einer Visionlösung gab es die Möglichkeit entweder des Einsatzes von Flächenkamera oder einer Zeilenkamera. Gleichzeitig beide Fähigkeiten in einer Kamera zu nützen war bislang kaum denkbar.

Eine in die Kamera integrierte extrem schnelle Triggerung – die das Livebild als Sensor verwendet – erschließt viele völlig neue Lösungsansätze. Minimale Kameraabmessungen einschließlich der internen Triggerung vereinfachen den Installationsaufbau, was dem Trend zu kleineren Maschinen und Anlagen entgegen kommt.

Ohne starres Zentrieren des Bauteiles könnte z.B. durch die Bilddatengenerierung einer Hochgeschwindigkeitskamera die sehr genaue Position zum aktuellen Zeitpunkt erfasst werden. Die Bewegungstendenz eines Körpers im zwei/dreidimensionalen Raum könnte dadurch als vorausschauende Regelung (reduktive Regelung) in den Prozess einfließen. So befasst sich z.B. ein Forschungsprojekt mit den Grundlagen eines derartigen Regelkreises mit anspruchsvoller Zeitanforderung. Hier wird die hohe Präzision durch die Megapixelauflösung zusammen mit der Hochgeschwindigkeit der Kamera genützt. In der Medizin ergäbe diese bildrückgeführte Regelung neue Anwendungslösungen. Zum Beispiel könnte bei sich verändernder Körperlage des Patienten auf einem Stuhl, ein Tumor dennoch Punktgenau bestrahlt werden. Bezüglich der bildrückgeführten Regelung gibt es beispielsweise auch Forschungen in der bahnkurvengesteuerten Kranführung in Hallen.

Die sehr kompakten neuen CMOS Hochgeschwindigkeits-Kameras MC 1310 (monochrome) und MC 1311 (RGB Farbe mit Bayer Filter) mit Camera Link Standard zählen weltweit zu den derzeit schnellsten Visionkameras. Diese beiden Kameras verfügen aber darüber hinaus über einzigartige Funktionen zur Vereinfachung von Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung und steigern damit die Flexibilität in der Anwendung. Bei der hohen Auflösung von 1280 x 1024 Pixeln liefern die Kameras eine Bildfrequenz von 500 Bildern/Sekunde (fps), oder mit beliebig einstellbarem Bildausschnitt bis zu 10.000 fps. Die 12 x 12 µm großen Pixel des Sensors bieten eine Grauwertauflösung von 10 Bit (1024) oder 8 Bit (256). Herausragend ist auch die hohe Dynamik der Kamera von 59 dB. Das Camera Link Interface in Full Konfiguration gewährleistet eine maximale Videodatenrate von 660 MByte/Sekunde.

Einzigartig und von großer Bedeutung für industrielle Anwendungen ist die freie Programmierung des Aufnahmefeldes in Größe und Lage innerhalb des Gesamtbildes. Diese ROI Programmierung (region of interrest) erfolgt über die CameraLink Schnittstelle und es können neun verschiedene Einstellungen in acht Benutzerprofilen und einem Kameraprofil abgelegt werden. Der in der Kamera integrierte patentierte ImageBLITZ versieht die Funktion einer Lichtschranke oder Signalgebers. Im Kameravollbild wird an einer beliebigen Zeile eine frei festlegbare Anzahl von Pixeln (in 10er Schritten) an wahlfreier Position mittels einfacher grafischer Bedieneroberfläche programmiert und ein 8 Bit Schwellwert definiert. Diese Funktion läuft vollautomatisch in der Kamera ohne Unterstützung eines externen Rechners. Mit dem Bild als Sensor ergibt sich eine sehr einfache, äußerst feinfühlig einstellbare, und mit extrem kurzer Reaktionszeit (4 µs) arbeitende sichere Triggerung schnellster Ereignisse. Das ergibt in der Bildverarbeitung eine Systemvereinfachung durch das Entfallen bislang aufwändiger Sensorik. In eine völlig neue Leistungsklasse stößt der neue Camera Link Framegrabber INSPECTA-5 vor. Dieses neue Topmodell aus der bewährten Framegrabber-Familie unterstützt die derzeit leistungsfähigsten Digitalkameras, Flächen- und Zeilenkameras, mit bis zu acht Abgriffen und einer gesamten Videodatenrate bis zu 660 MByte/Sek. Ausgestattet mit zwei 26-poligen Camera Link Anschlüssen gewährleistet er die volle konforme Unterstützung dieses Standards – in Spezifikation Base, Medium und Full – für die Videodaten, die Kamerakontrolle und die serielle Schnittstelle.

Die extremen Leistungsdaten werden vervollständigt durch eine hohe Flexibilität in der Arbeitsweise. Die Konfiguration eines leistungsstarken FPGA kann zur Laufzeit des Framegrabber nachgeladen werden. Dadurch können Aufgaben spezieller Signalquellen als auch einfache Datenvorverarbeitung direkt auf dem Framegrabber in Echtzeit ausgeführt werden. Inspecta-5 verfügt über einen integrierten Bildspeicher von 2 GByte für die Aufzeichnung von schnellen Videosequenzen. Er bietet ein PCI-64 Businterface mit 64/32 Bit Datenbreite mit 66/33 MHz Taktfrequenz und einer maximalen Übertragungsrate von 528 MB/Sek. Für externe Signale wie Trigger- und Encodersignale verfügt das Board über vier optogekoppelte Ein- und Ausgänge.

Eine Besonderheit mit großer Bedeutung für die Flexibilität in der Anwendung ist die parallele Aufzeichnung der Videodaten in den onboard Speicher und in den PC-Hauptspeicher. Dabei kann der Echtzeitzugriff über unterschiedliche Datenpfade erfolgen. Gleichzeitig kann so der Zugriff auf die Videodaten vom 64-Bit Kamerainterface zum internen Speicher und zum Pfad Kamera/PCI-Controller erfolgen. Oder der Zugriff auf die Datenpfade vom internen Speicher zum PCI-Controller und gleichzeitig vom Kamerainterface zum PCI-Controller. Das ermöglicht Anpassungen der Datenrate an langsamere PCI Systeme.

Diese extremen Leistungen werden für den schnellen Einstieg auch als komplettes miteinander optimiertes Starterkit zu einem attraktiven Preis angeboten. Bestehend aus High-speed-Kamera MC 1310 oder MC 1311, Camera Link Kabel, Inspecta 5 Framegrabber sowie CD mit Softwarebibliothek.

VISION Stuttgart: Halle 4.0 Stand 412

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Der integrierte Matrox Sight-II Industriecomputer für die Bildverarbeitung ist jetzt auch vorinstalliert und konfiguriert mit dem Betriebssystem Windows XP Embedded lieferbar. „Windows XP Embedded ermöglicht OEMs die Entwicklung von äußerst kundenspezifischen, umfangreichen und systemintegrierten Anwendungen hoher Zuverlässigkeit und Leistung. Auch der Speicherplatzbedarf ist geringer,“ sagt Fabio Perelli, Produktmanager von Matrox Imaging.

Die Verwendung von XP Embedded auf einem Matrox 4Sight-II hat zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Betriebssystemen, beispielsweise die gleiche Benutzeroberfläche wie Windows XP sowie viele der professionellen Leistungsmerkmale. Matrox 4Sight-II ist eine konfigurierte, vorinstallierte, getestete und zuverlässige XP Embedded Bildverarbeitungsplattform. Matrox Imaging liefert dem Entwickler/OEM auch die benötigten Konfigurationsdateien für die Erzeugung kundenspezifischer Bilder der Matrox Imaging Library (MIL)/Windows XP Embedded auf deren Zielsystemen.

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