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Embedded Vision Systeme

Modulare Lösungen für die industrielle Bildverarbeitung
Embedded Vision Systeme

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Der Begriff Machine Vision umfasst heute ein breites Spektrum unterschiedlichster Anwendungen mit teilweise sehr verschiedenartigen Anforderungen. Denn moderne industrielle Bildverarbeitungs-Systeme sind nicht nur bei der Qualitätskontrolle unersetzlich geworden. Mit ihnen lassen sich auch die unterschiedlichsten Prozesse präzise steuern und überwachen. Kein Wunder also, dass sich die industrielle Bildverarbeitung in kein Schema mehr pressen lässt. Das Spektrum der angebotenen Komponenten reicht von einfachen, intelligenten Sensoren bis hin zu Rechnerclustern für Highspeed-Anwendungen. Je nach Applikation unterschieden sich darüber hinaus auch die Anforderungen an Beleuchtung, Kameras, Rechner und Software.

Sayed Soliman, Geschäftsführer MaxxVision Stuttgart

Trotz der sehr unterschiedlichen applikationsspezifischen Gegebenheiten sind viele Anwendungen für industrielle Bildverarbeitungssysteme heute Stand der Technik und auf dem Weg, zu Standards zu werden. Dadurch erschließt sich ein großes Potenzial für so genannte Embedded-Systems. Embedded-Systems ist der (englische) Fachbegriff für eingebettete (Computer-)Systeme, die heute – weitestgehend unbemerkt – ihren Dienst in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen und Geräten verrichten. Das fängt bei Handy und Navigationsgerät an und geht bis hin zu Flugzeugen und zahlreichen industriellen Automatisierungseinrichtungen, zu denen auch moderne Bildverarbeitungssysteme gehören. In allen Bereichen ermöglichen es die Embedded-Lösungen, die Leistungsfähigkeit der Hardware mit der Flexibilität der Software zu vereinigen (Bild 1).
Damit schließen sich Standardisierung und individuelle Anpassungsmöglichkeit keineswegs mehr aus. Was das für die industrielle Bildverarbeitung bedeuten kann und welche Chancen sich dadurch ergeben, dafür liefert die Embedded-Rechnerfamilie VisionBox aus dem umfangreichen Programm des Bildverarbeitungsspezialisten MaxxVision (vgl. Kastentext) ein gutes Beispiel (Bild 2).
DSP-Prozessor mit hoher Rechenleistung
Die Architektur der skalierbaren Vision-Box-Serie DSPC6000 wurde speziell im Hinblick auf die Erfordernisse der industriellen Bildverarbeitung optimiert. Als echter Embedded-Rechner kommt sie ohne PC-typischen und störanfälligen Ballast wie Lüfter oder Festplatten aus. Dem Maschinenbau kommt diese Eigenschaft sehr gelegen. Nicht nur bei Exportgeräten ist man hier schließlich auf möglichst wartungsfreie, langzeitverfügbare Lösungen angewiesen. Die geforderten Standzeiten von mindestens fünf Jahren lassen sich mit PC-basierten Bildverarbeitungslösungen nicht garantieren.
Bei der Konzeption der Bildverarbeitungsrechner wurde deshalb auf Robustheit bei gleichzeitig hoher Leistung großer Wert gelegt: Das Herzstück ist ein digitaler Signal-Prozessor von Texas Instruments, der mit 1 GHz getaktet ist. Er berechnet Algorithmen mit einer Geschwindigkeit, die der einer 3-GHz-Pentium-CPU entspricht. Bis zu acht Operationen können gleichzeitig ausgeführt werden.
Die Verlustleistung beträgt dabei nur 1 W; Kühlkörper, Heatpipe oder ähnliches sind damit ebenso unnötig wie ein Lüfter. Dadurch sind die Embedded-Rechner sehr robust und für den Einsatz in rauer Industrieumgebung geradezu prädestiniert.
Einfacher Umgang mit der Technik
Trotz der Leistungsfähigkeit ist der Umgang mit der Technik für den Anwender unkompliziert. Um den Prozessor herum sind zahlreiche Hardware-, Firmware- und Software-Komponenten angeordnet, die dem Entwickler die Arbeit erleichtern; Programmieren lässt sich – wie den meisten vertraut – in C (C++).
Auch jede Schnittstelle nach außen kann man über C-Funktionen komfortabel ansprechen. Beispielprogramme sorgen außerdem für einen raschen Entwicklungsstart. Jeder Bildverarbeitungsingenieur ist dadurch spätestens nach einem halben Tag in der Lage, Programme für die VisonBox zu entwickeln.
Damit die Bildverarbeitung sich der jeweiligen Aufgabenstellung anpassen kann, ist auch bei der Rechenleistung Flexiblität gefordert. Ein Bildverarbeitungssystem muss schließlich auch die entsprechende Rechenleistung zur Verfügung stellen, wenn große Bilddaten-Mengen in Echtzeit verarbeitet werden sollen.
Bei Zeilenkameras beispielsweise, die heute teilweise Datenraten von 100 MByte/s liefern, ergeben sich pro Bildpunkt Rechenzeiten von durchschnittlich nur noch 10 ns. Sollen dabei intelligente Algorithmen abgearbeitet werden, sind die Grenzen normaler Rechner schnell erreicht. Hier ist man dann auf Systeme angewiesen, die speziell für Anwendungen entwickelt sind, die extrem hohe Rechenleistungen erfordern und im Bedarfsfall einen Multirechnerbetrieb ermöglichen.
Skalierbares System ohne Begrenzung der Rechneranzahl
Auch dafür ist die VisionBox gerüstet. Sie ist mit einer speziellen Hardwareschnittstelle ausgerüstet, über die mehrere Rechner mit bis zu 150 MByte/s untereinander Daten tauschen können. Kameradaten und/oder Algorithmen lassen sich so auf mehrere Rechner verteilen. Die Anzahl der Rechner ist dabei beliebig. Untergebracht in den passenden Gehäuselösungen trotzen die Bildverarbeitungsrechner dann selbst härtesten Umgebungsbedingungen. Interessant für viele Applikationen dürfte auch die neueste Ergänzung des Programms sein: 2006 kommt ein neues Dual-Prozessorboard auf den Markt. Wie bei der Single-Prozessor-Version handelt es sich auch hierbei wieder um völlig eigenständige Rechner mit eigenem Flash und SDRAM. Sie können ebenfalls als Stand-alone-Lösung eingesetzt werden oder zu Rechnerclustern vernetzt werden.
Freiheit bei der Kameraauswahl
Bei der Wahl der Kameras ist der Anwender völlig frei. Das Rechnersystem unterstützt alle gängigen Kameraschnittstellen, analoge ebenso wie digitale. Zu den wichtigsten Schnittstellen gehören hier beispielsweise CameraLink, Firewire und natürlich auch Gigabit-Ethernet mit einer Übertragungsrate von zurzeit 1 GBit/s, in Zukunft sogar von bis 10 GBit/s. Die Ethernet-Übertragung zwischen Kamera und Rechner bietet sich dabei vor allem an, wenn große Wege zu überbrücken sind. Zu den möglichen Kabellängen bis 100 m kommen noch Vorteile wie die galvanische Trennung und die Verfügbarkeit von Zusatzkomponenten wie Hubs und Switches. Nutzen kann man diese Vorzüge beispielsweise mit den Digitalkameras vom Typ TAG. Die Serie umfasst 13 verschiedene Modelle. Die Auflösungen der Farb- oder Schwarz-/Weißkameras reichen bis 1600 x 1800 Bildpunkte. Für den Aufbau von Kameranetzen lassen sich standardmäßige Giga-Ethernet-Schalter nutzen.
Integration in die Automatisierungsumgebung
Flexibilität wird auch bei der Integration in Maschinen- oder Anlagenumgebung groß geschrieben. Alle gängigen Feldbussysteme werden unterstützt, also beispielsweise Profibus, Profinet, CANopen etc. Über ein Ethernet-Interface (1 GBit) lassen sich Daten und Bilder schnell ins Intranet übertragen. Von beliebiger Stelle aus kann man so auf Bilder aus der laufenden Fertigung oder der Qualitätskontrolle zugreifen. Da auf der Ethernetseite TCP/IP sowie Web- und FTP-Server unterstützt werden, rückt die Datendurchgängigkeit von der Feldebene bis in die Büroetage in greifbare Nähe.
MaxxVision, Stuttgart
QE 529

MaxxVision
ist auf Bildverarbeitungslösungen für den industriellen Einsatz spezialisiert und mittlerweile auf dem besten Weg bei Komponenten für Machine-Vision-Anwendungen eine Spitzenposition einzunehmen. Der zertifizierte Sony-Partner entwickelt und vertreibt Bildverarbeitungslösungen aller Leistungsklassen für die unterschiedlichsten Branchen. Der Anwendernutzen steht dabei immer im Vordergrund. Schließlich geht es auch in der Bildverarbeitung nicht nur um das technisch Machbare sondern auch um das ökonomisch Sinnvolle.
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