Höhere Auflösung und Geschwindigkeit, bessere Empfindlichkeit sowie einfachere Integrationsmöglichkeiten - so lauten heute die Forderungen der Anwender. Die Antwort der Hersteller: Vieles ist unmöglich, aber auch eine Frage der Zeit.

Als vor über 20 Jahren die ersten Bildverabeitungs-Technologien entstanden, war noch nicht abzusehen, wie sich die Branche entwickeln würde. Heute meldet der Fachbereich Industrielle Bildverarbeitung des VDMA allein für Deutschland für das Jahr 2011 einen Branchenumsatz von 1,5 Mrd. € - und die Entwicklung der Bildverabeitungs-Technologien und -Komponenten setzt sich fort. Beispielsweise erreichen heutige Industriekameras oder auch Vision-Sensoren durch die Weiterentwicklungen in der Mikroelektronik und Bildsensorik eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit und kleinere Bauform bei gestiegenem Funktionsumfang. Vorangetrieben werden diese Trends vor allem durch die Forderungen der Anwender nach einer einfachen Integration, hohen Geschwindigkeit oder besseren Bildqualität.

Facetten einer einfachen Integration

Maschinen- und Anlagenbauer müssen kurze Entwicklungszeiten unter der Maßgabe maximaler Kostenoptimierung realisieren. Einzelkomponenten wie Kameras oder All-in-One-Systeme wie Vision-Sensoren sollen deswegen so zeit- und kostensparend und flexibel wie möglich zu implementieren sein, damit mehr Zeit für die Lösung der konkreten Applikation bleibt. Ein Grundstein hierfür wurde vor sechs Jahren mit der Einführung des GigE-Vision-Standards bei den PC-basierten Systemen gelegt. So konnten erstmals Kabel mit einer Länge von bis zu 100 m eingesetzt werden, die im Vergleich zu den weit verbreiteten, aber auf 10 m beschränkten CameraLink-Kabeln weit kostengünstiger waren. Zudem ließ sich ein vereinfachter Systemaufbau - vor allem im Mehrkamerabetrieb - umsetzen. Mittlerweile sind GigE-Kameras aus der industriellen Bildverarbeitung nicht mehr wegzudenken und neue Serien wie die VisiLine SD von Baumer zeichnen sich durch eine hohe Performance bei einfacher Einbindung aus. Die neuen Modelle werden auf der diesjährigen Vision vorgestellt und sind bereits für GigE Vision 2.0 vorbereitet. Mit der Weiterentwicklung des Standards werden u.a. zukünftig noch schnellere Datenübertragungsraten durch 10 Gigabit Ethernet ermöglicht und eine Reduzierung der Datenmenge mittels Bildkomprimierung unterstützt. Mit der Implementierung des IEEE1588 Precision Time Protocol (PTP) rückt zudem die netzwerkweite Echtzeitsynchronisierung von mehreren Kameras und allen damit verbundenen Netzwerkkomponenten in den Vordergrund, um vor allem die Bildauswertung zu erleichtern.
Der Verkabelungsaufwand einer gesamten PC-basierten Vision-Anwendung, vor allem im Mehrkamerabetrieb, ist seit Beginn der industriellen Bildverarbeitung ein entscheidender Kosten- und Zeitfaktor bei der Implementierung und Wartung. Mit BaumerLink wurde 1998 eine Schnittstelle vorgestellt, über die sich Daten und Strom über ein konventionelles, kostengünstiges Ethernet Kabel gemeinsam übertragen ließen. Zehn Jahre später zählte Baumer zu den ersten Kameraherstellern, die PoE in einer kompakten Industriekamera anboten - um die Integration und Wartung von Digitalkameras zu vereinfachen und kostengünstiger zu gestalten. Heute gehört es bei Baumer zum Standard und aktuelle Kameramodelle können bei Bedarf über nur ein Kabel betrieben werden.
Ein vollständiges Vision-System in wenigen Minuten einfach integrieren und in Betrieb nehmen, ist der Wunsch eines jeden Maschinen- und Anlagenbauers. Die Vision-Sensoren VeriSens schlossen dafür 2006 die Lücke zwischen klassischen optischen Sensoren und PC-basierten Vision-Systemen. Als komplettes Bildverarbeitungssystem im Sensorformat bringen sie die gesamte notwendige Hard- und Software mit und lassen sich innerhalb von wenigen Minuten am PC vollständig einrichten. Auf diesem Konzept aufbauend, stellt Baumer auf der diesjährigen Vision das neue VeriSens-Webinterface vor, um auch die Nachparametrierung der Vision-Sensoren so einfach wie möglich zu gestalten. Das Webinterface erlaubt dem Anwender, applikationsspezifische Parameter in einem individualisierbaren Menü zusammenzustellen. Mit wenigen Fingertipps können dann im späteren Prozess die ausgewählten Einstellungen der Vision-Sensoren in einem Standard-Webbrowser verändert werden.

Wenn Augenblicke entscheiden

Für die Fertigung qualitativ einwandfreier Produkte setzten die meisten Hersteller in der Qualitätskontrolle auf eine bildgestützte Inspektion. Die Geschwindigkeit, mit der Bilder aufgezeichnet oder übertragen werden können, nimmt somit auch Einfluss auf die Prozessgeschwindigkeit. Immer schnellere Produktionsprozesse stellen auf diese Weise immer höhere Ansprüche an Bildrate und Bandbreite der Kameras. Eigens für eine schnelle Datenübertragung wurde vor 12 Jahren der CameraLink-Standard entwickelt. Die robuste und leistungsfähige Schnittstelle eignet sich mit Datenübertragungsraten von bis zu 680 MB/s speziell für High-Speed-Applikationen. Die High-Speed-Kameras der HX-Serie von Baumer halten mit 180 Bilder/s bei einer Auflösung von 4 MP auch mit schnellen Anwendungen mit. Durch die Verwendung von verschiedenen Bildausschnitten (ROI) kann die Bildwiederholrate auf über 100.000 Bilder/s gesteigert werden.
Der hohen Bandbreite der CameraLink-Schnittstelle stehen jedoch vergleichbar hohe Integrationskosten und eine geringere Flexibilität gegenüber. Zur Einbindung leistungsstarker Kameras mit hohen Bildraten in ein kostengünstiges GigE-Netzwerk stellte Baumer 2010 mit der SXG eine Dual-GigE-Kameraserie vor. Durch die Zusammenführung von zwei Standard-GigE-Anschlüssen zu einer LAG (Link Aggregation Group) kann mit bis zu 240 MB/s die volle Performance der Bildsensoren ausgenutzt werden. Das redundante Systemkonzept ermöglicht zusätzlich eine erhöhte Übertragungssicherheit, da beim Ausfall eines der beiden Ethernet-Kabel der zuverlässige Betrieb sichergestellt werden kann. Die nächste Entwicklungsstufe zur Aufnahme einer schnellen Bilderfolge präsentierte Baumer auf der vergangenen Vision mit den HXG-Kameramodellen. Eine flexible Speicherarchitektur ermöglicht den Dual-GigE-Kameras, Aufnahmen zwischenzuspeichern. Im sog. Burst Mode kann demnach eine definierte Anzahl von Bildern schnell aufgenommen werden, um sie anschließend langsamer auszugegeben. Auf diese Weise wird die maximale Bildrate der CMOS-Sensoren für die Abbildung schneller Prozesse vollständig ausgenutzt. Durch die Multi-ROI-Funktion lassen sich zudem aus einem Bild mehrere verschiedene Ausschnitte übertragen. Die Geschwindigkeit kann so gesteigert und die Datenmenge sowie Systemlast deutlich reduziert werden.

Besser Bilder schneller auswerten

Eine perfekte Bildqualität erleichtert die zuverlässige Auswertung von Aufnahmen und ist Basis einer angestrebten Null-Fehler-Produktion. Je besser die Qualität der Bilder, umso schneller und präziser lassen sich z. B. kleinste Montagefehler bei Bauteilen erkennen.
Wurde lange Zeit den CCD-Sensoren die beste Bildqualität zugesprochen, haben CMOS-Bildsensoren mittlerweile aufgeholt. Aktuelle Generationen der CMOS-Bildsensoren verfügen typischerweise über ein gleichwertiges oder sogar besseres Signal-Rausch-Verhalten, einen höheren Dynamikbereich sowie eine höhere Empfindlichkeit und Geschwindigkeit. Ausgewählte technische Funktionen tragen zudem zur Verbesserung der Bildqualität bei. So sind die CMOS-Modelle der neuen VisiLine-SD-Serie mit HDR (High Dynamic Range) ausgestattet, das auch Aufnahmen mit großen Helligkeitsunterschieden ermöglicht. Auf diese Weise entstehen homogene, qualitativ hochwertige Bilder, die eine darauf aufbauende einfachere, robuste und schnelle Auswertung sicherstellen. Zudem entfällt die sonst notwendige softwareseitige Verrechnung mehrerer Bilder für eine HDR-Aufnahme.