Zeigt her euren Füllstand

Spezialwissen über Bildverarbeitung ist nicht vorhanden. Kamera, Framegrabber und Beleuchtung müssen individuell auswählbar sein. Gesucht wird daher eine Machine-Vision-Software, die einfach zu bedienen ist und die dem Benutzer die Auswahl der Hardware überlässt. Hier bieten sich die ActivVisionTools der Münchner MVTec Software GmbH an:

Diese Toolfamilie unterstützt über vierzig handelsübliche Framegrabber und ist so konzipiert, dass ohne großen Programmieraufwand leistungsfähige Bildverarbeitungs-Applikationen erstellt werden können. ActivVisionTools basieren auf der bekannten HALCON-Bibliothek und garantieren daher kürzeste Rechenzeiten und Ergebnisse von höchster Präzision.

Der Spirituosenhersteller möchte die ActivVisionTools zunächst einmal unverbindlich evaluieren. Für einen ersten Test soll der familieneigene digitale Camcorder genügen, der an die IEEE1394(FireWire)-Schnittstelle eines Notebooks angeschlossen wird. Da auf der ActivVisionTools-Demo-CD bereits das Hilfsprogramm ActivViewer freigeschaltet ist, erhält der Anwender sofort ein Livebild, nachdem er das passende Gerät im Direct-Show-Interface der ActivVisionTools ausgewählt hat. Mit den ebenfalls im ActivViewer enthaltenen Tools ActivHistogram, ActivLineProfile und ActivZoom untersucht er Schärfe und Ausleuchtung des Bildes im Detail und kann somit die Kameraeinstellungen optimieren (Abb. 1).

Ermutigt von der Benutzerfreundlichkeit der Software, entschließt sich der Anwender, nun auch die weiterführenden Tools unter die Lupe zu nehmen. Von seinem Vertrieb IDS Imaging Development Systems GmbH erhält er eine kostenfreie Evaluierungslizenz, mit der er alle ActivVisionTools einen Monat lang ohne jegliche Funktionseinschränkung testen kann.

Da sich der Typ der jeweils zu inspizierenden Flasche anhand der Flaschenhalsdicke erkennen lässt, möchte der Anwender zunächst eine Messaufgabe durchführen. Er richtet seine Kamera im Durchlicht auf den oberen Flaschenteil, startet das Tool ActivMeasure und legt einen Messbereich fest. Hierzu stehen ihm ROIs (Regions of Interest) in mehreren Standardformen zur Verfügung. Im vorliegenden Falle erscheint eine einfache Linie am zweckmäßigsten, die mit dem Mauszeiger quer über den Flaschenhals gezogen wird. Sofort findet ActivMeasure entlang der Messlinie mehrere Kanten und markiert diese farbig. Durch Verändern des Schiebereglers „Kantenstärke“ kann sichergestellt werden, dass nur die beiden Kanten gefunden werden, die den rechten und linken Rand des im Durchlicht betrachteten Flaschenhalses markieren.

Nachdem das Merkmal „Breite Paar“ angeklickt wurde, erscheint die Breite des Flaschenhalses zunächst in Pixel. Bei Bedarf kann der Anwender mittels des Tools ActivViewCalibration eine einfache 2D-Kalibrierung durchführen; der Abstand wird dann automatisch in realen Längeneinheiten, z.B. Millimeter, ausgegeben. Die hierdurch erzielte Genauigkeit genügt im vorliegenden Falle völlig. Falls erforderlich, bietet ActivGeoCalib die Möglichkeit einer dreidimensionalen Kamerakalibrierung, die höchsten Präzisionsansprüchen gerecht wird.

Nun kann jedoch in der Abfüllanlage nicht sichergestellt werden, dass sich die Flasche im Bild immer an genau derselben Stelle befindet. Hier kommt ActivAlignment ins Spiel. Dieses Tool erlaubt die Definition eines eindeutigen Fixpunktes („Anker“) am Objekt, relativ zu dem dann die jeweilige Messaufgabe durchgeführt wird. Für die vorliegenden Aufgabe eignet sich hierfür beispielsweise die Flaschenkappe, da sie im Durchlicht annähernd als Rechteck erscheint – eine Form, die in jedem Objekt nur genau einmal vorhanden ist.

Hierzu legt der Anwender eine weitere ROI über die Kappe. ActivAlignment ermittelt dann sofort Kanten, die sich als Anker eignen. Mit dem Kontrastregler werden diese Kanten noch optimiert, dann wird der Anker abgespeichert. Bewegt man nun die Flasche im Bild hin- und her, so sucht ActivAlignment in Millisekundenschnelle nach dem Anker und führt dann die Flaschenhals-Messlinie automatisch nach (Abb. 2). Ergebnis: Jede Flasche wird exakt an derselben Stelle vermessen. Die ermittelten Messwerte sind somit vergleichbar.

Als nächstes rückt die Kernaufgabe in den Blickpunkt, die Messung des Füllstandes. Um Robustheit gegen Störeinflüsse wie Lichtschwankungen und zufällige Spiegelungen zu gewährleisten, wählt man als Kriterium keinen Abstand, sondern diejenige Fläche, die durch den Kappenanschlag (oben), durch den Spiegel der Flüssigkeit (unten) sowie durch den Flaschenrand (links und rechts) eingeschlossen wird. Zur Berechnung dieser Fläche eignet sich die sogenannte Blob-Analyse. Das Tool ActivBlobFinder nimmt dem Anwender viele Schritte ab, die sonst mühsam programmiert werden müssten.

Zunächst benötigt auch ActivBlobFinder einen eigenen Suchbereich (ROI). Dieser wird wieder einfach mit dem Mauszeiger aufgezogen – in diesem Falle sinnvollerweise in Form einer Figur, die in jedem Fall die oben genannte Fläche unterhalb der Kappe einschließt. Sofort findet ActivBlobFinder innerhalb dieser ROI unterschiedliche homogene Bildbereiche (Blobs = Binary Large Objects), die es nun noch so zu filtern gilt, dass allein die relevante Region übrig bleibt. Auch hierfür sind keine Programmierkenntnisse erforderlich. Der Anwender kann auf verschiedene Schieberegler zurückgreifen, insbesondere zur Definition der maximalen bzw. minimalen Blob-Größe oder zur Glättung der Blob-Ränder.

Für alle gefundenen Blobs ermittelt ActivFeatureCalc über 50 verschiedene Merkmale – von Basismerkmalen wie Höhe, Breite und Fläche über Formmerkmale wie Konturlänge, Konvexität und Anisometrie bis hin zu Grauwertmerkmalen (z.B. Median, Entropie, Homogenität) und komplexen Momentenmerkmalen (Abb. 3). Zur Füllstandsmessung wird hier jedoch nur das Merkmal „Fläche“ benötigt.

Im Alltag interessiert den Getränkehersteller jedoch nicht der tatsächliche Flächenwert, sondern nur, ob dieser Wert innerhalb eines Sollbereichs liegt oder nicht. Diese Bewertung erfolgt mit dem Tool ActivDecision. Hier kann der Anwender Kriterien eingeben, nach denen ein Objekt als „gut“ oder „schlecht“ bewertet werden soll. In unserem Praxisbeispiel gibt der Benutzer ein, dass sich die von ActivFeatureCalc ermittelte Fläche zwischen vorgewählten Intervallgrenzen bewegen muss, damit der Füllstand nicht als zu hoch oder zu niedrig angesehen wird.

Als weiteres Bewertungskriterium kann der Anwender nun auch festlegen, dass die gemessene Flaschenhalsdicke in einem bestimmten Sollbereich liegen muss. Außerhalb dieser Spannbreite liegende Werte deuten auf einen falschen Flaschentyp oder einen beschädigten Flaschenhals hin und bekommen daher auch das Ergebnis „Schlecht“ zugewiesen.

Sind diese Kriterien gesetzt, erscheint in einem Bewertungsrahmen automatisch ein grünes Feld mit Schriftzug „Gut“ bzw. eine rotes Feld mit Schriftzug „Schlecht“. Farbe und Text lassen sich natürlich – ebenso wie bei anderen Tools – beliebig ändern.

Damit an der Produktionslinie von Weitem sichtbar ist, ob die Qualität „im grünen Bereich“ ist, soll das Ergebnis mit einer gängigen Signalleuchte („Ampel“) visualisiert werden. Die von ActivDecision durchgeführte Bewertung „Gut“ oder „Schlecht“ muss also an ein externes Gerät in Form zweier unterschiedlicher Signale weitergeben werden.

Hierzu dient das Tool ActivDigitalIO. Es besitzt anwendungsfertige Schnittstellen zu mehreren gängigen digitalen I/O-Boards und für Simulationszwecke ein virtuelles Board (darüber hinaus ist dokumentiert, wie der Anwender weitere Boards selbst einbinden kann). Auch hier werden dem Benutzer keine Programmierkenntnisse abverlangt. Er muss nur interaktiv diejenigen Ausgabekanäle spezifizieren, auf denen ActivDigitalIO bei Bewertung „Gut“ bzw. „Schlecht“ entsprechende Signale senden soll.

Was sonst Wochen oder gar Monate an Programmieraufwand bedeutet, ist mit Hilfe von ActivVisionTools in wenigen Stunden geschafft: Ein erster funktionsfähiger Prototyp der Applikation ist fertig (Abb. 4).

Es versteht sich von selbst, dass vor der dauerhaften Implementierung in die Produktionsüberwachung noch weitere Anpassungen erforderlich sind.

Der zu Testzwecken verwendete digitale Camcorder wird gegen eine hochauflösende Industriekamera mit passendem Framegrabber ausgetauscht; das Notebook weicht einem Standard-PC mit digitaler I/O-Karte – dank der vorbereiteten Interfaces der ActivVisionTools müssen hierfür nur wenige Menüpunkte geändert werden.

Ferner kann der Anwender das äußere Design der Applikation beliebig modifizieren, z.B. den Text auf den Anzeigeelementen ändern, Farben optimieren oder diejenigen Tools „unsichtbar“ machen, die für den Anwender in der Fabrikhalle nicht relevant sind.

An der Beschreibung der Entwicklungsschritte ist zugleich ersichtlich, dass dieselbe Applikation ohne großen Aufwand an unterschiedliche Flaschentypen angepasst werden kann: Es müssen nur die jeweiligen Sollwerte, ggf. auch die Messbereiche und Anker, geändert werden – das „Gerüst“ der Applikation kann bestehen bleiben.

Auch lassen sich die hier geschilderten Techniken beliebig auf andere Produkte übertragen. Ob Gussteile, Leiterplatten, Schrauben oder Tabletten – mit ihrer Kombination aus Anwenderfreundlichkeit und Präzision sind ActivVisionTools Garant für kürzeste Entwicklungszeiten und höchste Qualität.