Entwicklungshilfe

Dipl.-Ing. Stephan Ahrends, National Instruments Germany, München

Die Entwicklung von Bildverarbeitungssoftware benötigte bis dato ein hohes Maß an Erfahrung und programmtechnischem Verständnis. Der interaktive IMAQ Vision Builder von National Instruments soll nun sowohl den erfahrenen Entwickler als auch den Anfänger bei der Entwicklung von Bildverarbeitungsapplikationen unterstützen.

Bei vielen Bildverarbeitungsapplikationen ist es nicht immer möglich, allein aus der Betrachtung einer Bildprobe zu erkennen, ob eine einfache Softwarelösung zur Bildverarbeitung existiert. Die Erstellung einer Bildverarbeitungsapplikation erfordert sehr häufig zeitaufwendiges Experimentieren mit Testbildern und einer Sammlung von Referenzbildern. In der Vergangenheit entwickelten die meisten Bildverarbeitungsingenieure ihre eigenen Testprogramme und benutzten dabei Bibliotheken mit Bildverarbeitungsfunktionen und ihre jeweilige Entwicklungsumgebung. Folglich musste ein sehr großer Teil der Entwicklungszeit dem Schreiben von Prototypen-Code und dem Testen der verschiedenen Bildverarbeitungsstrategien unter variierenden Beleuchtungsbedingungen gewidmet werden.

Hinzu kommt, dass kaum Entwicklungssysteme existieren, die ein Maximum an wiederverwendbarem Code für den Applikationsentwicklungsprozess der Bildverarbeitung gewährleisten.

Typischerweise wird der Code der allgemeinen Entwicklungsaufgaben für jede neue Bildverarbeitungsapplikation oder auch durch verschiedene Gruppen innerhalb der gleichen Organisation in Teilen dupliziert.

Was sind die allgemeinen Entwicklungsaufgaben?

l Kalibrieren von Kamera, Linsen (Optik) und Beleuchtungssystem

– Management einer Datenbank von Testbildern

– Entwicklung eines Prototypen für den Bildverarbeitungsalgorithmus

– Entwicklung eines Benutzer-Interface

– Dokumentation des Bildverarbeitungsalgorithmus

Mit diesen Beschränkungen ist die Entwicklung nach dem Trial & Error Prinzip unter Benutzung von angepassten Programmen und duplizierten allgemeinen Entwicklungsaufgaben zeitaufwendig und teuer.

Einen anderen Ansatz bietet die neue, interaktive Bildverarbeitungs-Softwareumgebung IMAQ Vision Builder, die zusammen mit der IMAQ Vision Software Bibliothek von National Instruments und einer Applikationsentwicklungsumgebung wie LabVIEW, BridgeVIEW, LabWindows/CVI oder ComponentWorks für Microsoft Visual Basic und Visual C zum Einsatz kommt.

Die folgenden Schritte verdeutlichen die einzelnen Stufen dieses neuen Ansatzes, der die Zeit und damit die Kosten deutlich reduziert, die bei der Entwicklung von Bildverarbeitungsapplikationen entstehen.

Schritt 1:

Der Entwickler benutzt zum Erstellen und Testen der Bildverarbeitungsstrategie den IMAQ Vision Builder. Der Vision Builder besitzt ein intuitives Interface und logisch bezeichnete Funktionen, so dass Messtechnik-Spezialisten, die neu in der Bildverarbeitung sind, schnell lernen, wie die Bildverarbeitungsfunktionen anzuwenden sind, um Applikationen zu lösen.

Anschauliche Beispiele führen die neuen Bildverarbeitungsentwickler durch ein Tutorial, welches ihre Wissen in der Bildverarbeitung schnell erweitert.

Schritt 2:

Das Resultat dieser interaktiven Entwicklungssession ist ein Vision Builder Skript, welches mit den Testbildern aus der Datenbank getestet werden kann. In einer Applikation aus der industriellen Fertigung sollte diese Datenbank sowohl Bilder mit fehlerhaften als auch Bilder mit guten Komponenten enthalten. Es ist sehr wichtig, die Bildverarbeitungsstrategie mit guten als auch schlechten Teilen zu testen. Zusätzlich ist es wichtig, die Strategien mit Bildern zu testen, die unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen entstanden sind, da die Szenerie sich in der industriellen Umgebung mit der Tageszeit ändern kann. Ist dieses Vision Builder Skript erst einmal erstellt, dann kann der Entwickler Schritt für Schritt durch jede Funktion gehen, das resultierende Bild sofort beurteilen und die Kontrollparameter interaktiv verändern.

Schritt 3:

Der IMAQ Vision Builder kann dann eine sog. ‚Builder‘- Datei im ASCII- Format generieren, die eine detaillierte Auflistung der benutzten Bildverarbeitungsfunktionen und ihrer Kontrollparameter enthält. Diese Datei ist dazu gedacht den Entwickler durch die Entwicklung der Bildverarbeitungsapplikation in LabVIEW, BridgeVIEW, LabWin-dows/CVI, Microsoft Visual Basic oder Visual C/C++ zu führen.

Ein interaktives Bildverarbeitungswerkzeug wie der Vision Builder stellt eine Schlüsselkomponente bei der schnellen Entwicklung einer Applikation dar. Mit dem IMAQ Vision Builder ist es möglich:

– ohne Programmierung, interaktiv verschiedene Bildverarbeitungsfunktionen zu testen

– eine Folge von Bildverarbeitungsfunktionen mit Änderungen der verschiedenen Kontrollparameter zu testen und sofort die sich daraus ergebenden Bilder zu beurteilen

– interaktiv zu lernen, wie Bildverarbeitungsfunktionen arbeiten

– die Bildverarbeitungs-Softwarestrategie mit einer Datenbank von Testbildern zu testen

– ein Bildverarbeitungsrezept oder Builder-Datei zu erzeugen, die die Grundlage für verschiedene Entwicklungsumgebungen wie LabVIEW, BridgeVIEW, LabWindows/CVI, Microsoft Visual Basic oder Visual C/C++ darstellt

– Prototypen einer Graustufen-, Farb- oder Binär-orientierten Lösung zu erstellen

– Bilder von analogen und digitalen Kameras zu erfassen

– eine große Anzahl von Bildern mit einem Bilder Browser zu verwalten.

Die meisten Anfänger in der Bildverarbeitung sind in aller Regel von der Flut der möglichen Algorithmen derart überwältigt, dass sie gar nicht wissen, wo sie beginnen sollen. Mit dem IMAQ Vision Builder ist es möglich, einzelne oder auch eine Serie von Bildverarbeitungsfunktionen zu testen und das Ergebnis jeden Schrittes zu betrachten, ohne tatsächlich zu programmieren. Der Anwender löst interaktiv Applikationen der Bildverbesserung, Anzahlbestimmung, Größenbestimmung, Abschätzung und Messung, Farbbestimmung und des Eigenschaftenbefundes in Kontroll-, Medizin- und Wissenschaftsapplikationen. Mit dem Vision Builder können in der Messtechnik erfahrene Anwender durch interaktives Experimentieren lernen, Bildverarbeitungsapplikationen schnell zu erstellen.

Erfahrene Bildverarbeitungsentwickler, die unter dem Druck stehen, schnell und kostengünstig zu arbeiten, können ihre Entwicklungen mit dem Vision Builder beschleunigen. Auch hier ist es von Vorteil, interaktiv mit hunderten Bildverarbeitungsfunktionen zu arbeiten und danach mit dem Vision Builder eine Builder-Datei zu erzeugen. Diese Builder-Datei führt den Entwickler dann durch seine Entwicklung in den unterschiedlichsten Entwicklungsumgebungen. Die hierbei benutzten Softwarefunktionen sind alle Standard Bildverarbeitungsfunktionen aus der National Instruments IMAQ Vision Machine Vision Software.

Machine Vision bezieht sich auf Applikationen, in denen ein PC automatisch eine Entscheidung trifft aufgrund des visuellen Inputs einer Kamera. Machine Vision ist ein typischer Begriff aus der industriellen Fertigung. Die Applikationen reichen vom Sammeln fleckiger Orangen von einem Fließband bis hin zur Überwachung der korrekten Pillensortierung in die Arzneimittel-Verpackung. Der Begriff „Bildverarbeitung“ wird meist in wissenschaftlichen, medizinischen oder Labor-Applikationen benutzt. Der IMAQ Vision Builder wendet sich mit seinem Ansatz des interaktiven Rapid Prototypings und seiner Ausstattung mit Funktionen für Bildverarbeitung und Machine Vision sowohl an Anwender aus dem industriellen als auch dem wissenschaftlichen Bereich. Entwickler aus beiden Bereichen, die neu mit Bildverarbeitung in Kontakt kommen, benötigen ein interaktives Werkzeug, das die Lücke zwischen Signalmessung und Bildmessung schließt.

Eine typische Machine-Vision-Applikation ist das Ab- oder Ausmessen, welches sich auf das Messen von kritischen Entfernungen in Bildpunkten bezieht.

Komponenten, wie z.B. elektrische Stecker oder Kontaktabstände, können mit Bildverarbeitungssoftware untersucht werden, indem schnell und konsequent bestimmte Charakterisierungen gemessen werden, und danach bestimmt wird ob ein Teil seinen Toleranzspezifikationen genügt oder nicht. In diesen Applikationen werden Funktionen wie Kantenerkennung und/oder Tastzirkel verwendet, um die Entfernungen zu messen.

Eine typische Bildverarbeitungsapplikation ist das Zählen und die Größenbestimmung von Objekten.

Sehr oft ist es in der Laborautomation und Mikroskopie notwendig, die Anzahl und die Größe von Objekten in einem Bild zu messen. Die NI Vision Software und der Vision Builder beinhalten beide Funktionen, um das Bild zu bearbeiten und die Anzahl und Größe von Objekten, wie z.B. Zellen, zu bestimmen. Zusätzliche Informationen wie Ort, Umfang, Länge und Breite können einfach errechnet werden. Dies ermöglichen Funktionen wie die Tropfenanalyse und Morphologie.

Softwareentwicklungen in der Bildverarbeitung stellen keine einmaligen Kosten dar, sondern erfordern fortwährende Aufwendungen. Sobald neue Anforderungen auftauchen, müssen diese schnell und einfach in das Bildverarbeitungssystem integriert werden. Werkzeuge wie der Vision Builder und die Vision Bibliothek machen eine Aktualisierung des Visionsystems mit diesen neuen Kontrollaufgaben, wie z.B. dem Auffinden unvorhergesehener Produktfehler, einfacher und kosteneffektiver.

Ein Ansatz zur schnellen Entwicklung von Machine-Vision-Applikationen kann Ihnen und Ihrer Firma eine Menge Entwicklungszeit und damit Kosten ersparen. Eine Schlüsselfunktion in diesem Ansatz nimmt ein interaktives Entwicklungswerkzeug wie der Vision Builder ein. Der Vision Builder kürzt die gesamte Entwicklungszeit durch das Kombinieren zeitraubender Softwarestrategie-Tests und Experimentierphasen mit der Phase der eigentlichen Applikationsentwicklung. Zusätzlich bietet er den Messspezialisten, die noch nicht so vertraut mit der Bildverarbeitung sind, mit der Vision-Softwareentwicklung einen Weg an, schnell zu erlernen wie Vision-Funktionen benutzt werden um Applikationen zu erstellen. Den erfahrenen Entwicklern bietet er die Möglichkeit, viel Zeit bei der Suche nach einer geeigneten Vision-Entwicklungslösung zu sparen.

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