Bildverarbeitung maßgeschneidert

Philipp Krauss, Matthias Vogel, National Instruments Germany

Die Meß- und Automatisierungstechnik ist immer enger mit der PC-Technologie verknüpft; hierdurch durchlebt sie auch deren Trends hinsichtlich der Entwicklung von Betriebs- und Bussystemen. Damit einher ist ein stetiger Preisverfall bei gleichbleibender Leistungssteigerung zu verzeichnen. Software im Bereich der Meß- und Automatisierungstechnik wurde traditionell in textbasierten Entwicklungsumgebungen erstellt, jedoch ist bereits seit Jahren ein eindeutiger Trend zu intuitiven, grafischen Programmierwerkzeugen festzustellen. Deren Hauptvorteile gegenüber traditioneller Codierung liegen vor allem in jenen Bereichen, wo die Formulierung von komplexen technischen Abläufen, die Darstellung dynamischer Zusammenhänge und der Entwurf von grafischen Benutzeroberflächen im Vordergrund stehen. Der Übergang von Rapid-Prototyping zur fertigen Applikation ist bei grafischen Programmiersprachen fließend.

National Instruments hat bereits vor über 12 Jahren die grafische Programmiersprache LabVIEW auf Basis des Datenflußmodells vorgestellt. Die aktuelle Version von LabVIEW ist jetzt auch komplett in deutsch verfügbar. LabVIEW verwendet das dem Ingenieur vertraute Denkmodell der grafischen Blockschaltbilder. Ein Programmodul wird in LabVIEW als virtuelles Instrument (VI) bezeichnet, dessen Aussehen und Funktionalität sich an einem realen Instrument orientiert. Die Möglichkeit, Prozesse und Algorithmen durch Diagramme darzustellen, erlaubt es Ideen und Aufgaben in einer sehr natürlichen und intuitiven Art zu veranschaulichen. Ausführliche Erläuterungen zur Programmierung finden sich in [1], [2] und [3]. LabVIEW unterstützt insbesondere ein breites Hardwarespektrum, das in adäquater Weise durch Softwarekomponenten unterstützt wird. Dazu zählen nicht nur die in der Meßtechnik geläufigen I/O-Schnittstellen, wie z.B. RS232/485, IEEE488.2, VXI/MXI, PXI und Multifunktionskarten, sondern auch Feldbussysteme, Motorensteuerung und Bildverarbeitungssysteme. Diese Offenheit beinhaltet das globale Konzept der Virtuellen Instrumentierung, durch die der Sprung vom konventionellen Meßgerät über die PC-gesteuerte Gerätesteuerung bis hin zu anpassungsfähigen Meßsystemen gelang. Damit wird der Wandel von herstellerdefinierten Meßgeräten hin zu anwenderdefinierten Meßsystemen vollzogen. Von besonderer Bedeutung für den Anwender hierbei ist, daß seine komplette Anwendung, bestehend aus vielen einzelnen Schnittstellen und Meßkomponenten, als ein in sich geschlossenes, einheitliches Gesamtsystem erscheint.

Im Februar dieses Jahres wurde die aktuelle Version 5 von LabVIEW vorgestellt. Diese eröffnet dem Anwender den Zugang zu völlig neuen Technologien. So gibt es in LabVIEW 5 eine Unterstützung von Microsofts ActiveX und auf den Plattformen Windows NT/98/95, Solaris 2 und Concurrent PowerMax sind automatisch alle entwickelten Programme multithreadingfähig. Weitere Neuheiten beinhalten neue, sowie verbesserte Wizards für die Instrumentensteuerung und die Datenerfassung, Übersetzungs- und Dokumentationswerkzeuge, sowie programmatische Menüleisten und das lange erwartete UNDO.

National Instruments hat vor zwei Jahren einen Monochrome-Framegrabber eingeführt, der nach einer Studie der Zeitschrift Personal Engineering vom Februar 1998 mittlerweile zu einem der drei meistverkauften Framegrabber im Markt zählt. Seine Stärke spielt der NI-1408 im besonderen auch durch Unterstützung der StillColor-Technologie aus. Hiermit lassen sich durch entsprechende im Treiber integrierte Funktionen auch Farbbilder erfassen. Neben dieser Standardkarte bietet National Instruments mittlerweile auch eine Karte für digitale Kameras an, wobei auch entsprechende Kabel und Konfigurationsdateien erhältlich sind, um das große Spektrum der verfügbaren Digitalkameras an ein und derselben Karte anschließen zu können. Die Framegrabber von National Instruments lassen sich sowohl im PCI-Bus eines Standard-PCs einsetzen, sowie in CompactPCI- oder in PXI-Systemen. Letztere bieten in einem kompakten, robusten Gehäuse die ideale Plattform für Meß- und Automatisierungsanwendungen im harten industriellen Einsatz. Als Betriebssystem kommen neben Windows NT auch Windows 95 bzw. 98 zum Einsatz.

Zur Erweiterung des Funktionsumfanges stehen den Anwendern von LabVIEW verschiedene Toolkits zur Verfügung. Eines dieser Toolkits ist das Paket IMAQ-Vision, mit dem der Bereich Bildverarbeitung abgedeckt wird. IMAQ-Vision richtet sich an Entwickler und Systemintegratoren im Bereich der Meß- und Prüftechnik und in der Maschineninspektion. Es ist also in keinster Weise als fertig lauffähiges System zur Bildbearbeitung wie z.B. Photoshop zu verstehen. Es kann vielmehr als eine Kollektion von verschiedensten Verfahren und Algorithmen durch alle Belange der Bildverarbeitung verstanden werden. Neben rudimentären Low-Level-Funktionen stehen aber auch bereits sinnvoll gruppierte Funktionen, z.B. zur Partikelvermessung und Mustererkennung zur Verfügung, die sich binnen weniger Minuten in bereits bestehende Anwendungen integrieren lassen. Die IMAQ-Vision-Funktionen reichen vom Bereich Bildmanagement/Dateimanagement, über Region-of-Interest-Auswertung (ROI), Filterfunktionen, Morphologiefunktionen, bis hin zu komplexen Funktionen zur Analyse von Bildern im Frequenzbereich.

Die Analysefunktionen in IMAQ-Vision unter Windows NT/9x unterstützen bereits Intels MMX-Technologie, bei der 57 leistungsfähige Anweisungen dem Pentium-Instruction-Set hinzugefügt worden sind. Vor allem rechenintensive Funktionen, wie Schwellwertanalyse, Bildaddition und –multiplikation profitieren von dieser Technologie und machen sich mit einen Leistungsgewinn um bis zu 560% gegenüber einer nicht MMX-fähigen CPU bemerkbar.

Neben den eigentlichen Funktionen umfaßt IMAQ-Vision aber auch diverse Werkzeuge, mit denen der Anwender bestimmte Markierungen in einem erfaßten Bild vornehmen kann. Dazu gehören die Auswahl von zu untersuchenden Teilbereichen eines Bildes (ROI), eine Zoomfunktion und ein Werkzeug zur Ermittlung von Linienprofilen (Bild 1).

Es gibt Untersuchungen, nach denen bisher nur ein Bruchteil aller denkbaren Applikationen im Bereich der Qualitätssicherung mit den Methoden der Bilderfassung/-verarbeitung realisiert worden sind. Mit der neuen Version 4.1.1 von IMAQ-Vision wurde diesem Manko Rechnung getragen und eine Bibliothek mit sehr einfach einsetzbaren „Inspection-Tools“ hinzugefügt. Im folgenden soll etwas näher auf diese, für die Verbesserung des QS-Prozesses hervorragend geeigneten Funktionen eingegangen werden.

Anwendungen, die geradezu prädestiniert sind für die Bildverarbeitung finden sich beispielsweise bei der Platinenfertigung in der Elektronikindustrie. Dabei kann mittels markanter Merkmale das Vorhandensein und die korrekte Ausrichtung von Bauelementen oder Tochterbaugruppen überwacht werden. Ebenso finden sich häufig Applikationen dort, wo selbst mit dem menschlichen Auge keine ausreichende Sichtkontrolle mehr möglich ist, wie bei der Überprüfung von Lötstellen, die mit einem Röntgen- oder Ultraschallgerät sichtbar gemacht wurden. Gerade im Hinblick auf ISO-9000 werden heute im modernen Fertigungsprozeß Werkstücke und Baugruppen meistens mit Barcodes versehen, um eine hundertprozentige Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Die beschriebenen „klassischen“ Anwendungsgebiete der Bildverarbeitung lassen sich nun auch noch mit der Erfassung von Barcodes kombinieren. Die IMAQ-Vision Bibliothek bietet dazu Funktionen zum Lesen der 1D-Typen 25, 39, 128, EAN8, EAN13 und UPCA. Ebenso gibt es Lösungen zur Analyse von 2D-Barcodes, die vor allem eine platzsparende Lösung bei gleichzeitiger Zunahme des Informationsgehaltes darstellen. In Bild 2 ist eine LabVIEW-Applikation zur Auswertung eines Barcodes dargestellt. Bei der Überprüfung von Baugruppen kommt auch sehr häufig die Kontrolle von Zeigerinstrumenten oder LC-Displays zum Einsatz. Häufig wird die Funktionsprüfung noch mittels Sichtkontrolle durchgeführt, was ein nicht unerhebliches Hemmnis bei der Erzielung großer Stückzahlen darstellt. Dabei können solche Aufgaben bereits heute problemlos mittels Bildverarbeitung gelöst werden. Die in IMAQ-Vision enthaltenen Inspection-Tools beinhalten Funktionen zur Realisierung derartiger Anwendungen, die sehr schnell verwendbar sind und vor allem ohne tiefergehende Kenntnisse über die zugrundeliegenden Algorithmen haben zu müssen. Bei der Inspektion von derartigen Objekten geht man wie folgt vor. Soll beispielsweise eine LCD-Anzeige automatisch ausgewertet werden, muß zur Kalibration zuerst die Größe der einzelnen Digits im aktiven Zustand dem System angelernt werden. Durch Kenntnis der Lage der Hell-Dunkel-Übergänge kann der verwendete Algorithmus dann sehr schnell herausfinden, welche Segmente aktiv sind und daraufhin das angezeigte Zeichen ermitteln. Ein anderes Beispiel ist die Erkennung des Zeigerausschlages bei einem analogen Zeigerinstrument, wie es häufig in der Automobilindustrie bei der Überprüfung von Kombiinstrumenten erforderlich ist. Auch bei diesem Verfahren muß zunächst das System kalibriert werden, d.h. bevor die Bilderfassung beginnt, müssen mit einem Markierwerkzeug sowohl die Nullinie, als auch der Vollausschlag im Zeigerinstrument als Fixpunkte festgelegt werden. Bei der anschließenden Bildanalyse wird der Zeiger im Bild erkannt und über eine Winkelberechnung, basierend auf den bekannten Skalenendwerten, schließlich der Absolutwert des Zeigers bestimmt.

Die Bibliothek IMAQ-Vision stellt Anwendern der grafischen Entwicklungsumgebungen LabVIEW und BridgeVIEW eine leistungsfähige Sammlung von Funktionen zur Maschineninspektion und Bildanalyse zur Verfügung. Dabei besticht neben der Funktionsvielfalt vor allem die Einfachheit der Anwendungserstellung. Im Rahmen dieses Beitrages kann auch nicht annähernd die gesamte Leistungsfähigkeit von IMAQ-Vision dargelegt werden – vielmehr soll die Eigenschaft des grafischen Programmierkonzeptes zeigen, daß selbst hochkomplexe Applikationen im Bereich Meß- und Prüftechnik und in der Qualitätssicherung in sehr kurzer Zeit erstellt werden können.

Literatur:

[1] R. Jamal/P. Krauss: LabVIEW – Das Grundlagenbuch, Prentice Hall 1998

[2] R. Jamal/H. Pichlik: LabVIEW – Programmiersprache der vierten Generation, Prentice Hall 1997

[3] L. Wenzel, S. De Key: Visuelle Programmierung, Elektronik 25/97, 1-2/98, Franzis-Verlag

[4] L. Wenzel, R. Jamal: Schnellere Bildverarbeitung durch MMX-Technologie, F&M 106 (1998), Carl Hanser Verlag

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