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Schneller gehts nicht

Mehrkern-CPUs und Parallel HALCON
Schneller gehts nicht

Die industrielle Bildverarbeitung (Machine Vision) nimmt stetig an Bedeutung zu: kaum noch ein Zweig im Maschinenbau, in der Sicherheitstechnik oder Medizin, der diese erfolgreiche Querschnittstechnologie nicht einsetzt. Bildverarbeitung wird in der Industrie überall dort eingesetzt, wo das menschliche Auge zur Beobachtung oder Kontrolle überfordert ist: an Fließbändern, in der Druckindustrie, bei der Herstellung von Halbleitern, in der Autoindustrie und bei der Robotersteuerung.

Vor allem geht der Trend immer stärker hin zur 100%-Kontrolle. Das bedeutet: Die Industrie verlangt von den Zulieferern, dass jedes Teil einzeln überprüft wurde, ohne den Produktionsprozess zu verlangsamen. Stichproben gehören damit immer mehr der Vergangenheit an. Um dies zu gewährleisten, wird Bildverarbeitung eingesetzt. In Bruchteilen von Sekunden müssen während des Produktions- oder Verpackungsprozesses Bilder erfasst, Objekte detektiert, überprüft und anschließend Entscheidungen getroffen werden.

Heute ist längst nicht mehr die Frage, ob sich Bildverarbeitungsverfahren durchsetzen, sondern wie schnell sie das tun werden. Bildverarbeitung steht und fällt mit der Schnelligkeit, der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit. Standen früher Beleuchtung und Anordnung im Vordergrund der Applikationen, so wird heute immer mehr die Software zum Kern einer jeden Bildverarbeitung. Denn erstklassige Software kann heute bereits Störungen und Schwächen in der Konfiguration des Applikationssystems ausgleichen, wie es vor wenigen Jahren noch nicht denkbar war.
Die Datenmenge, die dabei anfällt, ist enorm. Die industrielle Bildverarbeitung wurde daher eigentlich erst praktisch einsetzbar, als es Prozessoren gab, die ihre Bilddaten auch in adäquater Geschwindigkeit aufnehmen und verarbeiten konnten. Das war erst Mitte der Achtziger Jahre der Fall. In den letzten zwanzig Jahren sind die Prozessoren stetig weiterentwickelt worden; die Entwicklung schien kein Ende zu nehmen. Mittlerweile aber ist man an einem Punkt angelangt, der eine eindeutige Grenze markiert: Ohne gravierende thermische Probleme lässt sich die Rechenleistung moderner Prozessoren nicht erhöhen. Um den Fortschritt der Prozessorleistung nicht zu stoppen, haben führende Hersteller deshalb ab Mitte 2005 die neuen Mehrkern-Prozessoren auf den Markt gebracht. Das kommt der Bildverarbeitung besonders zugute!
Teilweise haben sich Bildverarbeiter schon seit einigen Jahren eines Tricks bedient, der die Bearbeitung von großen Datenmengen schneller bewerkstelligen kann. Die Daten eines Bildes werden aufgeteilt und auf unterschiedliche Prozessoren geschickt, wo sie zwar zeitlich parallel aber physikalisch getrennt voneinander verarbeitet werden. Eine solche parallele Ausführung von Programmteilen nennt man Multi-Threading. Durch das Multi-Threading werden die Bilder also wesentlich schneller verarbeitet, Multi-Threading spart Zeit. Ein Faktor, der für die Bildverarbeitung von essenzieller Natur ist.
Multi-Threading aber setzt entsprechende Spezialkenntnisse des Programmierers voraus. Zudem ist die Programmierung dieses Vorgangs zeitaufwändig. Es sei denn, eine Software löst das Problem automatisch.
Das Machine Vision Flaggschiff HALCON der MVTec Software GmbH in München kennt eine solche Automatisierung schon seit seiner Version 6.0 (aktuell: 7.1). Die Automatic Operator Parallelization (AOP), kurz Parallel HALCON, teilt die Daten auf und verteilt sie auf die vorhandenen CPUs, wo sie verarbeitet werden. Danach fügt der Operator die errechneten Daten wieder zusammen, als wäre es eine einzige Berechnung gewesen, ohne dass der Programmierer dafür hätte etwas tun müssen.
Jetzt, da die neue Generation der Mehrkern-Prozessoren auf den Markt kommt und standardmäßig mehrfach parallele Einheiten bereitstellt, ist HALCON also bereits optimal vorbereitet. Die Automatisierung über Parallel HALCON zeigt gegenüber der klassischen Methode des Multi-Threadings eine vergleichbare Performanz, bietet jedoch gleichzeitig große Vorteile: Die Handhabung ist einfacher, die Fehleranfälligkeit ist geringer und auch Programmierer mit wenig Erfahrung kommen damit sehr gut zurecht.
Parallel HALCON ist jedoch nicht nur sicher, was das Aufteilen in Threads angeht, Parallel HALCON ist auch ablaufinvariant, das bedeutet: Mehrere Verarbeitungsstränge können gleichzeitig mehrere Bildverarbeitungs-Operatoren abrufen, nutzen und wieder zusammenfügen.
Parallel HALCON in Zusammenhang mit Multikern-Prozessoren ist ein wirklicher Technologieschub für die industrielle Bildverarbeitung. Allen zeitkritischen und auflösungsintensiven Applikationen (wie Fließband-Kontrolle, Oberflächeninspektion, Materialprüfung, Folienkontrolle, Teppichkontrolle, Leiterplatteninspektion, Bestückungsüberwachung etc.), aber auch Fernerkundung und Photogrammetrie, kommt dieser Fortschritt zugute.
Und dabei können sich die Anwender wirklich freuen, denn sie sparen Zeit. Zeit für das Programmieren einer Multi-Threading Anwendung, aber eben auch Zeit, erst einmal zu lernen wie man Multi-Threading programmiert. Und wenn die Anwendung automatisch läuft, spart man sich – in Abhängigkeit von der Anzahl der Prozessoren – mit HALCON viel Zeit, die eine Anwendung ohne AOP und Multi-Threading benötigen würde.
Auch ansonsten steht – was die industrielle Bildverarbeitung betrifft – die Software-Entwicklung nicht still. Immer neue Möglichkeiten bieten sich, Schnelligkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit zu verbessern. Microsoft hat jetzt aktuell die 64-Bit-Technologie auch für Windows erschlossen (XP Professional x64 Edition). Das bedeutet: der wohl größte Anwenderkreis in der Computerwelt kann jetzt endlich diese schnelle Technologie einsetzen. Allerdings gibt es bisher kaum Programme, die das auch ausnutzen. HALCON in seiner neuen Version 7.1 nutzt das und bringt somit der Bildverarbeitung bis zu 30% Zeitersparnis.
Robustheit ist besonders beim Einsatz von Datacodes von Bedeutung. Umfangreiche Datacodes ersetzen Dokumente und begleiten auf diese Weise Werkstücke, die transportiert werden oder Instrumente, die eindeutig identifiziert werden müssen. Datacodes können als fester Bestandteil eines Produkts so angebracht werden, dass sie nur mit hohem Aufwand entfernt werden können. Allerdings können sie trotzdem im Laufe ihres Produktlebens unabsichtlich teilweise zerstört, überdeckt oder übermalt werden. Das stellt in Bezug auf die Robustheit eine große Herausforderung an die Software dar, die den Code trotz Veränderungen einwandfrei lesen können muss. Ein weltweit zunehmend eingesetzter Datacode ist der so genannte PDF417. HALCON 7.1 liest ihn zuverlässig, sogar wenn er teilweise zerstört oder übermalt und beschmutzt ist.
Kalibrierverfahren sind in der Bildverarbeitung unerlässlich, ihre Automatisierung schreitet stark voran. Kalibrierungen sind immer dann notwendig, wenn Koordinaten von Objekten oder Anordnungen eindeutig bestimmt werden müssen. Können diese weitgehend automatisiert werden wie unter HALCON 7.1, wird wiederum Zeit und Arbeit gespart. Selbstkalibrierung funktioniert ganz ohne den aufwändigen Einsatz von Kalibrierplatten: Moderne Software kann nur durch das Verkippen der Kameras interne und externe Kameraparameter exakt bestimmen.
Das sind nur einige Beispiele, wie sich Software für die industrielle Bildverarbeitung weiter entwickelt. Software in der Bildverarbeitung ist ein stetiger Prozess. Sowohl die Erfahrung der Entwickler, als auch das Feedback der Anwender sind wichtige Voraussetzungen, um diesen Prozess aufrecht erhalten zu können. Kreativität und das berühmte Ohr am Markt sind die besten Rezepte, mit denen sich der Weltmarkt erobern lässt.
MVTec Software, München
Vsision Stuttgart, Halle 4 Stand 420/1
QE 529
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