Bildverarbeitung und Maschinensteuerung synchronisiert

In Bildverarbeitungssystemen spielen die Kamera, die Software und die Beleuchtung die Schlüsselrollen für die Leistungsfähigkeit des Systems. Gerade bei der Einbindung der Beleuchtung in das System kommt es zu Schwierigkeiten, weil Kamera und Blitz nicht genau genug synchronisiert werden können. Das vermindert die Leistungsfähigkeit des Bildverarbeitungssystems und die Lebensdauer der Beleuchtung.

Immer mehr Maschinen und Produktionsanlagen werden mit Bildverarbeitungssystemen ausgestattet, um Prozesse zu regeln, Produkte zu sortieren oder deren Qualität zu überprüfen. „Die Beleuchtung ist eine kritische Komponente von Machine-Vision-Systemen“, verdeutlicht Andreas Waldl, Produktmanager Integrated Machine Vision bei B&R. „Denn die Beleuchtung bestimmt, wie die Kamera das abzubildende Objekt wahrnimmt. Dabei geht es um Faktoren wie Lichtintensität, Abstrahlrichtung und Wellenlänge. Aber auch die hochpräzise Steuerung des Blitzlichts ist sehr wichtig, damit das Bildverarbeitungssystem seine volle Leistungsfähigkeit erreichen kann.“

In der Praxis stößt man dabei jedoch auf Hindernisse: „In der Realität lässt sich eine exakte Synchronisierung jedoch nicht umsetzen, weil Vision-Sensoren, Leuchten, Blitzcontroller und Maschinensteuerung von unterschiedlichen Herstellern stammen“, erklärt Waldl. Weil ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll fehlt, erfolgt der Datenaustausch zwischen den unterschiedlichen Geräten über digitale Ein- und Ausgänge.

Exakte Synchronisierung

Dadurch entstehen geringe zeitliche Verzögerungen und Ungenauigkeiten. So ist es zum Beispiel nicht möglich, dass Kamera und Blitz auf die Mikrosekunde genau zur gleichen Zeit blitzen und belichten. „Also bleibt dem Ersteller der Anwendung nichts anderes übrig, als die Blitzdauer zu verlängern. Nur so kann er sicherstellen, dass während der Belichtungszeit geblitzt wird“, erläutert Waldl. Der gravierende Nachteil: Die Lebensdauer der LEDs sinkt beträchtlich.

Um das zu verhindern, kann der Anwendungsprogrammierer die Blitzintensität reduzieren, wodurch er jedoch die Belichtungszeit verlängern muss. Bei High-Speed-Anwendungen werden die Bilder dann schnell unscharf. Alternativ verstärkt der Programmierer das Sensorsignal. „Das allerdings hat zwei Konsequenzen: Das Bildrauschen steigt und die Qualität des aufgenommenen Bildes sinkt“, erklärt Waldl. „Ein Teufelskreis.“

Bild 2: Kamera und Beleuchtung sind vollständig in das Maschinennetzwerk integriert, sodass die Blitzlicht-Ansteuerung und die Belichtung mikrosekundengenau synchronisiert sind. Das schont die LEDs, weil die Blitzlichtdauer so kurz wie möglich eingestellt werden kann. B&R Industrial Automation

Integriert in das Steuerungssystem

Bei der Vision-Lösung von B&R sind Maschinensteuerung, Kamera, Blitzcontroller und Beleuchtung Bestandteil des gleichen Systems. Diese Integration bietet ganz wesentliche Vorteile: Die Blitzlicht-Ansteuerung wird im Sub-µs-Bereich mit dem Automatisierungssystem synchronisiert und der Lichtimpuls kann extrem kurz gehalten werden. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der LEDs und auch bei High-Speed-Anwendungen werden die Bilder gestochen scharf. Zudem ist die Ausleuchtung sehr homogen und jederzeit reproduzierbar. Die Qualität der Vision-Applikation steigt.

„Durch die extrem kurze Blitzdauer können wir die LEDs problemlos mit bis zu 300 Prozent des Nennstroms betreiben“, berichtet Waldl. Damit wird eine Lichtintensität erreicht, die mit herkömmlichem Dauerlicht nicht realisierbar ist. Das ermöglicht sehr kurze Belichtungszeiten, senkt das Rauschen und eliminiert zugleich nahezu jeglichen Einfluss von Fremdlicht.

Bild 3: Die in die Kameras von B&R integrierten LEDs leuchten eine Fläche homogen aus (re.). Bei anderen kamera-internen Beleuchtungslösungen ist ein deutlicher Randabfall erkennbar (li.). B&R Industrial Automation

Reproduzierbare Ergebnisse erzielen

„Maschinen stehen in Produktionshallen, in denen oft schwierige und tageszeitlich wechselnde Lichtverhältnisse herrschen. Deshalb ist Fremdlicht eine häufige Quelle für Störungen“, sagt Waldl. Die Qualität von Mess- und Prüfergebnissen lässt sich wesentlich steigern, wenn der Einfluss des Fremdlichts ausgeschaltet wird. Das kann der Maschinenbauer mit aufwendigen und platzraubenden Einhausungen erreichen – oder durch Lichtblitze mit hoher Intensität.

Die kamerainternen LEDs der Bildverarbeitungslösung von B&R leuchten eine Fläche homogen aus (Bild 3 rechts). Bei anderen kamerainternen Beleuchtungslösungen ist ein deutlicher Randabfall erkennbar (Bild 3, links). Zudem muss aufgrund der niedrigeren Lichtintensität das Sensorsignal verstärkt werden, wodurch das Bildrauschen steigt (erkennbar an den zahlreichen Spitzen im Signal). Die Qualität des aufgenommenen Bildes mit der B&R-Kamera ist wesentlich höher.

Um gleichbleibende Ergebnisse bei einer Vision-Applikation zu erzielen, muss das Objekt möglichst homogen ausgeleuchtet werden. Diese Homogenität lässt sich durch intelligent konstruierte Leuchten erreichen. So ist bei den B&R-Kameras jede einzelne Beleuchtungs-LED mit einer Linse versehen, die das Licht gleichmäßig abstrahlt. Die LEDs sind im Werk abgeglichen und benötigen somit bei einem Wechsel im Feld oder im Serienmaschinenbau keinen manuellen Abgleich mehr. Auch die LED-typische Veränderung der Lichtintensität im Laufe der Lebensdauer und bei unterschiedlichen Temperaturen wird automatisch von den Leuchten kompensiert.

„Die Beleuchtung ist eine kritische Komponente bei Machine-Vision-Systemen“, sagt Andreas Waldl, Product Manager Integrated Machine Vision bei B&R.B&R Industrial Automation

Flexibel bei Produktwechseln

„Es reicht jedoch nicht, wenn eine Bildverarbeitungs-Lösung nur einen speziellen Anwendungsfall gut abdeckt“, betont Waldl. Produktwechsel im laufenden Betrieb werden immer häufiger – auch darauf muss die Bildverarbeitung ausgerichtet sein. Mit der vollständig integrierten Lösung von B&R ist das einfach: Sämtliche Parameter können in Rezepten gespeichert und jederzeit wieder abgerufen werden.

Der Anwender kann alle Einstellungen per Software jederzeit ändern. Dazu gehören die Lichtfarbe genauso wie die Blitzdauer und -länge, die Belichtungszeit und der Abstrahlwinkel der Balkenleuchten. Dadurch lässt sich sogar mit den gleichen Leuchten eine Hell- und eine Dunkelfeld-Beleuchtung nur durch Anpassen der Parameter realisieren. Das Beleuchtungsportfolio von B&R ermöglicht bis zu vier Lichtfarben pro Leuchte. Speziell entwickelte Linsen sorgen für eine homogene Ausleuchtung.

Bild 5: LEDs für die Kamera und externe Beleuchtungen: Das Produktprogramm ermöglicht bis zu vier Lichtfarben pro Leuchte. Speziell entwickelte Linsen sorgen für eine homogene Ausleuchtung. B&R Industrial Automation

Lichtfarben können Merkmale hervorheben

„Viele Maschinenbauer unterschätzen die Möglichkeiten, die sich durch unterschiedliche Blitzfarben ergeben“, sagt Waldl. Dabei lassen sich zum Beispiel versteckte Produktmerkmale oder Druckmarken durch unterschiedliche Lichtfarben entweder hervorheben oder ausblenden. „Deshalb bestücken wir jeden Leuchtentyp – auch die kameraintegrierten LEDs – nach Kundenwunsch mit bis zu vier unterschiedlichen Lichtfarben – inklusive Infrarot und Ultraviolett.“

Mit den unterschiedlichen LED-Farben können von einem Produkt mehrere Fotos mit unterschiedlicher Beleuchtung gemacht und dadurch unterschiedliche Produktmerkmale erfasst werden. Diese Beleuchtungssequenzen lassen sich so schnell umsetzen, dass eine einzige Kamera dafür ausreicht.

Bild 6: Die LED-Ringleuchten bestehen aus mehreren Balkenleuchten und ermöglichen eine äußerst homogene Ausleuchtung. Sie stehen als Vier-, Sechs- und Achtfach-Varianten zur Verfügung. Die Backlights gibt es in zwei unterschiedlichen Größen. B&R Industrial Automation

Parametrieren statt Programmieren

„Klassische Programmierarbeit ist für die Einrichtung einer Vision-Lösung übrigens nicht mehr nötig“, ergänzt Waldl. Die Software-Bausteine für die Bildverarbeitungssysteme von B&R sind vorkonfiguriert. Sie ermöglichen die Erstellung einer Anwendung nach dem Drag-and-drop-Prinzip. Der Datenaustausch mit anderen Maschinenfunktionen und -bestandteilen, wie Servoantrieben, User- und Rezeptmanagement sowie Alarmsystem erfolgt durch einfache Verknüpfung der entsprechenden Funktionen. Weil die Bildverarbeitungs-Komponenten integraler Bestandteil des Maschinennetzwerkes sind, stehen sämtliche Diagnose-Informationen in Echtzeit zur Verfügung. Somit sinkt der Aufwand für die Implementierung einer Bildverarbeitungslösung beträchtlich.

(dw)