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Neue Möglichkeiten

Selbstlernende Smart Vision Sensoren für Echtzeitanwendungen
Neue Möglichkeiten

In den neuartigen bildverarbeitenden Sensoren von Baumer Optronic werden mit dem innovativen µFEX-Signalverarbeitungskonzept bereits Verarbeitungsgeschwindigkeiten erzielt, die heute verfügbare, schnelle PC-basierende Systeme nicht erreichen. Selbstlernende Software erlaubt eine einfache Inbetriebnahme und Bedienung der Sensoren selbst bei komplexen Aufgaben ohne Spezialkenntnisse in Bildverarbeitung. Damit eröffnen sich konzeptionell neue Anwendungs-möglichkeiten im industriellen Umfeld.

Dr. Oliver Vietze, Geschäftsführer Baumer Optronic GmbH, Dresden

Mit PC-basierten Vision Systemen lassen sich heute schwierigste Probleme der Qualitätssicherung und in der Automatisierungstechnik lösen. Deren Inbetriebnahme und Installation erfordert jedoch Spezialkenntnisse im Bereich Optik und Beleuchtung, insbesondere aber auch ein tiefes Verständnis für Methoden und Algorithmen der Bildverarbeitung. Die Integration in Produktionsprozesse ist daher nicht einfach zu bewerkstelligen. Das gleiche gilt auch für viele heute am Markt erhältliche ‚intelligente Kameras’ oder ‚Smart Vision Sensoren’, die zwar mit kompakten Bauformen und interessanten Preisen locken, aber speziell für anspruchsvolle Echtzeitaufgaben oftmals zu wenig Rechenleistung bieten und nicht mit der Leistung von PC-basierten Systemen mithalten können.
Der Anwender ist dann gezwungen, a priori bestimmte Eigenschaften der zu inspizierenden Objekte z.B. kleine Bildausschnitte oder feste Grauwertschwellen festzulegen und Einschränkungen bezüglich Objektausrichtung, Beleuchtung oder der Artefaktunterdrückung zu akzeptieren. Damit wird die Software und Hardware für jede Aufgabe so optimiert, dass hoffentlich ein befriedigender Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Lösung im Echtzeitbetrieb entsteht. Bei sich ändernden Objekten oder Maschinenparametern muss das System in der Regel aufwändig neu parametriert werden, was insbesondere bei OEM-Anwendungen problematisch ist, da der Endkunde meist nicht über die nötige Kompetenz für das ‚Trainieren’ der Bildverarbeitung verfügt.
Von der Plug ’n’ Play Funktionalität industrieller Positionssensoren, wie sie seit Jahren als selbstverständlich vom Kunden erwartet wird, ist die industrielle Bildverarbeitung und insbesondere der Smart Vision Sensor noch weit entfernt.
Bildverarbeitungsansätze wie in der Natur
Das neue Konzept besteht nun darin, dem Nutzer nicht mehr nur eine Bibliothek von Bildverarbeitungsfunktionen auf Pixel-Ebene bereitzustellen, sondern – ähnlich dem natürlichen menschlichen Sehen – das Bild mit hoher Geschwindigkeit und möglichst allgemein gültig zu segmentieren. Dabei werden die Objekte im Bild direkt mit deren Merkmalen wie Position, Lage, Größe, Form, Farbe etc. beschreiben, um sie dann anhand dieser Merkmale zu klassifizieren. Mit diesem Ansatz wird das System in weiten Grenzen unempfindlich gegenüber ungenauer Positionierung des Objekts und Abstandstoleranzen. Ebenso wird eine hervorragende Robustheit gegenüber Beleuchtungsschwankungen durch Fremdlichteinfluss erreicht, was oftmals im industriellen Umfeld von großer Bedeutung ist.
Dieser morphologische – das heißt natürliche – Ansatz für die industrielle Bildverarbeitung ist nicht grundsätzlich neu. Jedoch ist er sehr rechenintensiv und verlangt nach parallelen Verarbeitungsstrukturen ähnlich denen des menschlichen Gehirns. Diese können jedoch selbst mit modernen, schnellen PCs nur sehr unzureichend und damit ineffizient und teuer nachgebildet werden. Aus diesem Grund fand dieser extrem leistungsfähige Ansatz bisher kaum Anwendungen im Bereich der industriellen Bildverarbeitung.
Echtzeitprozessor: Konsequente Integration als Basis für Miniaturisierung
Die Schlüsselkomponente des neuen Vision Sensor Konzepts von Baumer sind sogenannte FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Diese hochintegrierten, frei programmierbaren digitalen Schaltkreise erlauben die Realisierung der oben genannten, parallelen Prozessorstrukturen, und dies zu bemerkenswert geringen Kosten. Auf Basis solcher FPGAs hat Baumer Optronic einen leistungsfähigen Bildvorverarbeitungsprozessor (Baumer µFEX-Technologie) entwickelt, welcher neben umfangreichen und gleichzeitig anwendbaren konventionellen Bild-Filtern insbesondere die Beschreibung der Objekte und deren Merkmale – die sogenannte Feature Extraktion – in Echtzeit berechnen kann. Unmittelbar nach Abschluss des Bildeinzugs stehen dem nachgeschalteten Mikroprozessor zur Auswertung somit bereits die vollständigen Informationen über die Objekte im Bild zur Entscheidungsfindung zur Verfügung. Der Baumer µFEX Vorverarbeitungsprozessor stellt dabei heute bereits eine enorme Rechenleistung vom mehr als dem 10fachen eines modernen 3 GHz Windows PC für vergleichbare Rechenoperationen bereit.
Eine weitere wichtige Eigenschaft der Baumer µFEX-Technologie ist der äußerst geringe Energieverbrauch der Schaltkreise. Damit wird die Integration des kompletten Bildverarbeitungssystems bestehend aus – Bildsensor, Objektiv, Beleuchtung, µFEX-Vorverarbeitung sowie Prozessor und Industrieschnittstellen (I/Os, Ethernet, CAN, etc.) – in äußerst kompakte, industrietaugliche, IP-dichte Gehäuse möglich. Somit lassen sich erstmals Vision Sensoren realisieren, welche konzeptionell neue Anwendungsmöglichkeiten im industriellen OEM-Umfeld eröffnen.Die Leistungsfähigkeit der Architektur soll exemplarisch an einem industriell realisierten Beispiel erläutert werden.
Beispiel: Selbstlernender Label-Verfikationssensor
Die Aufgabe des hier vorgestellten Smart Vision Sensors besteht darin, Objekte, wie z.B. bedruckte Seiten, Etiketten, bedruckte oder gewobene Textilien, bedruckte Verpackungen oder Bauteile etc. zuverlässig aus einer größeren Menge von womöglich sehr ähnlichen anderen Objekten wieder zu erkennen. Weichen die Objekte inhaltlich vom ‚Original’ ab, soll ein Ausgang geschaltet werden. Der Sensor soll sich dabei selbständig und ohne menschliche Interaktion und a-priori Wissen über das Objekt durch einfachen Knopfdruck oder ein Signal der Maschinensteuerung auf unterschiedlichste Objekte neu ‚einlernen’. Um möglichst geringe Anforderungen an den Transport der Objekte sowie die Beleuchtung zu stellen wird verlangt, dass innerhalb sinnvoller Toleranzen die Erkennung translations- und rotationsinvariant arbeitet sowie kleinere Objektdeformationen toleriert werden. Der Sensor soll dabei bis zu 20 Objekte pro Sekunde bei Geschwindigkeiten bis 2,5 Metern pro Sekunden sicher erkennen.
Grundlage des Baumer VeriSens Smart Sensors ist die µFEX-Technologie.
Während des ‚Trainings’ über einige wenige ‚gute’ Objekte analysiert der Sensor selbständig den Inhalt der Vorlage parallel nach unterschiedlichen Strategien, jeweils durch einen „Textprozessor„ für Textinhalte, einen „Grafikprozessor„ für Logos, Grafiken oder Ähnliches und einem „Grauwertprozessor„ für Bildinhalte. Der Sensor interpretiert anhand der Resultate der einzelnen „Prozessoren„ das Bild und entscheidet dann selbständig über eine Auswahl der für die Beschreibung und Klassifizierung des jeweiligen Referenzobjekts am besten passenden Merkmale. Als Ergebnis liegt dann ein Ähnlichkeitsmaß im Vergleich zum Referenzobjekt vor. Der Bediener braucht optional lediglich noch dessen Schwelle für die gut/schlecht Entscheidung als einziger Parameter manuell oder über die Maschinensteuerung einzugeben.
Highspeed Applikation an der Buchbindemaschine
Eine mit dem Baumer VeriSens Smart Sensor (in der Line-Scan Version) realisierte Anwendung ist das Prüfen auf korrekt zugeführten Seiten an Buchbindemaschinen. Der Sensor stellt dort sicher, dass die Seiten der Druckerzeugnisse in der korrekten Reihenfolge zusammengetragen werden.
Der Sensor ist dabei in der Lage, 10 Seiten pro Sekunde bei einer Geschwindigkeit von über 2,5 m/s mit einer Auflösung von 200 dpi zu prüfen. Textseiten mit sehr kleinen Schriften, wie sie zum Beispiel in Telefonbüchern zu finden sind, werden ebenso sicher identifiziert wie Bildvorlagen oder gemischte Seiten. Durch die optimale Anordnung von Beleuchtung, Optik und Kamera innerhalb des Gehäuses haben glänzende und spiegelnde Vorlagen keinen negativen Einfluss auf das Ergebnis. Selbst seitlich verschobene, verdrehte oder gewellte Seiten erkennt der Sensor ebenso zuverlässig.
Zukunft
Die einfache Bedienung und prozesssichere Anwendung von Bildverarbeitung sind Schlüsselkriterien für künftig erfolgreiche Vision Systeme in der Industrie. Die Baumer µFEX-Technologie ist eine leistungsfähige und ausbaubare Basis für selbstlernende Vision Sensoren, wobei derzeit die Technik noch auf spezielle Klassen von Anwendungen beschränkt und daher vorzugsweise für OEM-Anwendungen geeignet ist. Der Weg zum universellen Vision Sensor ist aber unaufhaltsam beschritten.
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