Unkompliziert und leistungsfähig

Kameras - Industrielle Bildverarbeitung muss nicht kompliziert sein: Heute ersetzen Smart Kameras mit integrierter Intelligenz zunehmend die komplizierten PC-basierten Systeme.

11. Dezember 2007
Bild 1: Unkompliziert und leistungsfähig
Bild 1: Unkompliziert und leistungsfähig

Ein Kennzeichen vieler moderner Anwendungen im Maschinenbau, in der Qualitätssicherung und der Sicherheitstechnik ist der Einsatz von Bildverarbeitungssystemen. Bevorzugte Aufgaben sind dabei unter anderem die Qualitäts- und Vollständigkeitskontrolle, das Sortieren und lagerichtige Zuführen von Werkstücken und Produkten, das Lesen von Barcodes, 2D-Matrix-Codes und Schrift oder die Zutrittskontrolle. Als Basis solcher Systeme diente früher meist komplexe PC-Technik, die die Daten von digitalen Kameras verarbeitet. Seit ungefähr Mitte der 90er-Jahre ermöglichen daneben auch intelligente Kameras den Aufbau von vollautomatischen Stand-alone-Bildverarbeitungssystemen, die herkömmliche PC-Stationen ersetzen können. Diese sogenannten Smart Kameras lassen sich dabei auch in anspruchsvollen Applikationen einsetzen, etwa für Mess- und Prüfaufgaben, und bewältigen selbst komplexe Bildverarbeitungsroutinen und hohe Geschwindigkeitsanforderungen. Da die Geräte lediglich die Größe eines Mobiltelefons erreichen, bieten sie Maschinen- und Anlagenbauern zudem völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich Integration und Kostenreduzierung.

Alles integriert

Die echtzeit- und netzwerkfähigen Geräte integrieren einen CCD-Sensor, einen Prozessor, einen Frame Grabber sowie Bildspeicher und sämtliche erforderlichen Schnittstellen. Im Vergleich zu herkömmlichen PC-basierten Bildverarbeitungsstationen benötigen diese Systeme nur einen Bruchteil des Raumes und sind zudem deutlich preiswerter. Zudem arbeiten sie ohne Festplatten und Lüfter und müssen daher nicht im Schaltschrank untergebracht werden.

Einer der Pioniere in der Entwicklung solcher intelligenten Bildsensoren ist die Vision Components GmbH in Ettlingen bei Karlsruhe. Das Produktprogramm umfasst neben klassischen Smart Kameras auch höchst kompakte Sensorkameras in Schutzart IP 65 oder IP 67, die komplett mit Optik und LED-Beleuchtung geliefert werden, sowie speziell für OEM-Anwendungen geeignete intelligente Platinenkameras ohne Gehäuse. Bei der Realisierung von applikationsspezifischen Komplettlösungen arbeitet das Unternehmen mit Systempartnern zusammen, die sich auf verschiedene Anwendungsgebiete spezialisiert haben.

Für die extern oder intern triggerbare Bildaufnahme ist bei diesen Kameras ein CCD-Sensor zuständig, dessen Auflösung zwischen 640 x 480 und 1.600 x 1.200 Pixeln gewählt werden kann. Die Bildrate erreicht je nach Auflösung des Sensors zwischen 10 und 242 fps. Der analoge Pixelwert des Bildsensors wird mit 10 Bit in digitale Daten umgewandelt und mittels einer Lookup-Tabelle auf 8 Bit reduziert.

Die Speicherung des Bildes übernimmt ein DMA-Controller mit Frame-Grabber-Funktion. Auf umgekehrtem Wege gewährleistet dies auch, dass Bilder oder Speicherbereiche beim Auslesen aus dem Speicher in analoge Daten umgewandelt und auf einem externen Monitor dargestellt werden. Die Smart Kameras besitzen eine RS232- und eine Ethernet- Schnittstelle sowie einen externen Hochgeschwindigkeits-Triggereingang, der auch bei sehr hoher Abfragefrequenz jitterfreie Bildaufnahmen ermöglicht. In der Standardausführung bieten die Kameras eine interne Speicherkapazität von 64 Megabyte RAM, die sich optional auf 128 Megabyte erweitern lässt. Zur Ausstattung gehören außerdem ein direkter Videoausgang sowie je vier digitale SPS-I/Os. Kernstück der Kameras ist ein leistungsfähiger digitaler Signalprozessor, etwa der TMS320C64x- DSP von Texas Instruments, der eine Rechenleistung von 1 GHz erreicht.

Entscheidende Eigenschaften von industriellen Bildverarbeitungslösungen sind Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit, und eine wichtige Anforderung an intelligente Kameras ist daher die Echtzeitfähigkeit. Bei den Kameras von Vision Components gewährleistet dies das Linux-ähnliche firmen eigene Betriebssystem VCRT mit einer integrierten Bedienoberfläche, über die sich alle Kamerafunktionen bedienen lassen. Daneben lassen sich über die Oberfläche Dateioperationen durchführen, Programme starten oder TCP/IP-Statistiken abrufen. Zur Anpassung an die anwendungsspezifischen Anforderungen lassen sich die Kameras mittels der Programmiersprachen C und C++ frei programmieren. Die Programmentwicklung selbst erfolgt dabei mit einer integrierten Entwicklungsumgebung auf dem PC mit Unterstützung durch eine umfangreiche Bildverarbeitungsbibliothek. Daneben bietet der Hersteller eine Programmbibliothek zur Farbbildverarbeitung sowie Programmpakete zur Data-Matrix-, OCR- und Barcodeerkennung.

Anspruchsvoller Einsatz

Zur Anwendung kommen die intelligenten Vision-Sensoren beispielsweise zur Formenleerkontrolle bei einem Hersteller von Schokoladenriegeln und Pralinen. Hier gewährleistet eine Lösung des Berliner Bildverarbeitungs-Systemhauses Bi-Ber, dass sich nach dem Entleeren keine Schokoladenreste mehr in den Formen befinden. Unvollständig geleerte Formen würden beim erneuten Befüllen überlaufen und für Störungen im Produktionsablauf sorgen oder die Produktqualität beeinträchtigen.

Die Komplettlösung besteht aus einer intelligenten Kamera von Vision Components, passender Optik und Beleuchtung in einem Schaltkasten sowie maßgeschneiderter Software und lässt sich direkt in die Transferstrecken integrieren. Das System erkennt zuverlässig Restverschmutzungen ab einer Größe von einem Quadratmillimeter in den leeren Formen, sodass verunreinigte Formen ausgesondert und zum Reinigen entnommen werden können. Standardmäßig lassen sich in der verwendeten Smart Kamera bis zu 64 verschiedene Formtypen speichern. Die Auswertung erfolgt anhand zweier Schwellwerte für helle oder dunkle Formen bzw. zur Abgrenzung der Schokoladenfüllung.

Najlaa Soniadis, Vision Components/bt

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2008