Der Bedarf in der Industrie an ­komplexen, individuell entwickelten Bildverarbeitungssystemen ist ­ungebrochen hoch. Zugleich schwindet der Platz, diese in den modernen Schaltschränken unter­zu­bringen. Visionsysteme im ­Miniatur­format bieten Anwendern ganz neue Möglichkeiten bei gleichzeitig einfacher Handhabung.

Maschinenbauraum ist kostbar, Schaltschränke werden kompakter bzw. fallen weg. Bewährte Konstruktionen sehen nicht zwingend die Integration von Kameras vor, geschweige denn den erforderlichen Bildverarbeitungsrechner. Das Alternativkonzept eines zentralen Rechners – mit vielen parallel ablaufenden Programmen – birgt hohe Risiken. Maschinenbauer und Anlagenbetreiber wünschen sich daher kleinste Visionsysteme, direkt an der Linie, auf die Aufgabe hin getrimmte Programme und diese sollen auch noch schnell an neue Situationen anpassbar sein. Ein kleiner Formfaktor lässt sich einfach integrieren, moderne Standard-Softwareschnittstellen à la OPC/UA erlauben den Austausch auch größerer, komplexer Datenmengen.

Ein VisionSensor – bereit für individuelle und komplexe Aufgaben

„VisionSensor“ klingt fast zu bescheiden für die Funktionen und Leistungen, die eine neue Generation von Embedded-machine-vision-Komponenten von Imago Technologies bietet. Klassischerweise ist der Sensor auf eine Aufgabe spezialisiert, misst einen Abstand oder erkennt ein Objekt mittels eines Lichtvorhanges. Der VisionSensor hingegen beinhaltet ein komplettes Bildverarbeitungssystem, für das man vor wenigen Jahren noch einen größeren Schaltschrankrechner benötigte. Wie ist das möglich?

Multi-Core CPU à la ARM

ARM ist die Abkürzung von Advanced Risc Machine, eine CPU-Architektur, die wir heute unter anderem in unseren Smartphones finden. Viele Alltagsgegenstände sind mit ARM-CPUs ausgestattet. Rechenleistungsstark und stromsparend, dieses sind wichtige Kriterien der ARM-Architektur.
ARM-CPU-Architekturen sind quasi Standard geworden für inzwischen auch viele Industrieprodukte. Weiterhin sind in den sogenannten SoC (System on Chip) Mehrkern-CPUs integriert. Der VisionSensor wartet mit einer 1,8 GHz schnellen Quad-Core-ARM-Cortex-A53-CPU auf, ausgelegt für den industriellen Dauerbetrieb. Noch heute sind viele Produkte mit einem Single-Core-Cortex-A9 bei weniger als 1 GHz im Markt. Insofern ist es ein gewinnbringender Leistungsschub für die stets komplexer werdenden Bildverarbeitungsalgorithmen. Linux ist hier das typische Betriebssystem.

Kamera, Objektive und Beleuchtung

Sicher geht der Trend in Richtung hoher Auflösungen – aber sind die auch stets erforderlich? Ein gesunder Kompromiss ist die sogenannte HD-Auflösung mit 1.920 x 1.080 Pixeln bei einer Bildwiederholrate von 115 Bildern pro Sekunde. Stop! Schnell eine kleine Berechnung, was dieses bezüglich der Datenrate vom Kamerasensor her eigentlich heißt: 1.920 Pixel x 1.080 Pixel x 115 Hz = 238 MB/s an Datenrate. Verteilt man diese auf die vier Rechenkerne bei 1,8 GHz Taktrate, so hätte jeder Kern im Mittel 30 Taktzyklen Zeit für die Bildverarbeitung. Nicht sonderlich viel – aber auch nicht wenig. Der Praktiker weiß es einzuschätzen, denn nicht jede Maschine hat Prozesszyklen kleiner als 10 ms bzw. eine geschickt gesetzte Region of Interest reduziert schnell die Bilddaten.
An Objektiven gibt es weltweit qualitativ gute Objektive im M12-Standard. Hervorgegangen aus günstigen Überwachungskameras, sind heutzutage M12-Objektive auch für Industrieanwendungen tauglich.
Mit der integrierten Quad-LED-Beleuchtung können typische Bildfelder in Maschinen ausgeleuchtet werden, reicht dieses ­nicht aus, so steht ein digitaler Ausgang für die Ansteuerung externer Beleuchtungseinheiten zur Verfügung.

Schnittstellen

IO ja – aber wie schnell ist das Ethernet? 1 Gbit/s können übertragen werden, das heißt viele Daten oder Bilder verlassen das Bildverarbeitungssystem zügig in Richtung übergeordneter Steuerungseinheiten. Zudem wird das OPC/UA-Protokoll für die Kommunikation mit einer SPS oder anderen Rechnern unterstützt.
Ein Trick bei der mechanischen Auslegung der industriebewährten M12-Buchsen ist, diese mit einem kurzen Kabel abzusetzen. Das Visionsystem vor Ort mit den sperrigen M12-Kabeln zu verdrahten ist häufig mühselig, oft ist jedoch in der Nähe genügend Platz dafür vorhanden.

Softwareentwicklung – aber bitte fix!

Nutzt man MVTecs Halcon, so läuft es häufig so ab: Bilder generieren, ins HDevelop Tool laden und die perfekten Halcon-Operatoren auswählen, die die Aufgaben lösen. Der Vorteil einer individuellen Anwendung im Vergleich zur Parametrierung eines allgemeingültigen Tools liegt in der Effizienz der Algorithmen! Der Bildverarbeitungsingenieur verwendet die notwendigen Algorithmen, während ein allgemeines Tool die Freiheit in der Lösung einschränken kann.
Also: Der „Zwölfzeiler“ aus HDevelop steht, wie geht es jetzt weiter? Wie bringe ich den Code in den VisionSensor hinein? Und was ist überhaupt mit der GUI (Graphical User Interface)? Es ist neuerdings simpel, denn die Lösung heißt ViewIT. Dieses Tool bietet eine GUI, den Zugriff auf die Schnittstellen und das Debugging sowie die Integration der HDevelop-Operatoren. 1:1! Die Lösung aus HDevelop wird in einen Bereich von ViewIT geladen und danach direkt auf dem VisionSensor, spricht dem Quad-Core-ARM-Prozessor ausgeführt. Inklusive weiterer Funktionen wie Bildaufnahme, -speicherung und zum Beispiel OPC/UA-Kommunikation. Das bedeutet einen Produktivitätssprung und viel Zeitersparnis im Vergleich zur bisherigen C++-Programmierung.
Ist die Maschine irgendwo in der Welt installiert und neue Bilder „tauchen vor der Kamera auf“, so speichert man diese im VisionSensor, lädt sie auf seinen Desktop im Büro, ändert via HDevelop den Code ab und spielt das Update ein. Der Bildverarbeiter kann sich stets auf seine Kernaufgabe fokussieren – die Bildverarbeitung.

Wissen was passiert

Weitere Prüfstellen in der Maschine, mehr Daten als nur ein „IO/NIO“, die Einbindung von Maschinen in die Cloud, so kommt die Idee von Industrie 4.0 praktisch voran.

Zusammenfassung und Ausblick

Vorgestellt wurde ein leistungsfähiges ­Visionssystem, untergebracht im Formfaktor einer Streichholzschachtel, das in der Lage ist, auch komplexere, individuell entwickelte Bildverarbeitungsprogramme auszuführen. Quad Core ARM ist das Stichwort für die CPU, HD-Auflösung für die Kamera. M12-Objektive und ein Trick bei der Verkabelung runden die Hardware ab, ergänzt durch ein neues Tool namens ViewIT zur produktiven Anwendungsentwicklung mit zum Beispiel Halcon Operatoren. Die Reise geht sicherlich weiter, und das Imago-Erfinderteam hat schon die Antwort parat auf Ihre Frage: Ich benötige ein C-Mount Objektiv.