Verschiedene Beleuchtungssituationen sind eine Herausforderung für BV-Systeme. Entwickelt wurde daher ein System, das mit einer monochromen Kamera in einem Durchlauf Bilder von verschiedenen Beleuchtungen aufnimmt. Es basiert auf Standard-Komponenten, wodurch Multichannel-Anwendungen kostengünstig umsetzbar sind.

Bildverarbeitungssysteme mit unterschiedlichen Beleuchtungssituationen zu realisieren ist häufig mit hohem Aufwand verbunden. MultiChannel2Go ist ein – wie der Name schon vermuten lässt – sofort einsatzbereites und portables Bildverarbeitungssystem der Firma MSTVision, das mit einer einzelnen monochromen Zeilenkamera in einem Durchlauf Bilder von verschiedenen Beleuchtungen zeitlich voneinander getrennt akquiriert. Die Technologie ist auf mehrere Kameras erweiterbar, um die Inspektionsbreite zu vergrößern. Das Besondere sind die austauschbaren Standardkomponenten und die vorkonfigurierte, leicht parametrierbare Software. Bislang aufwändige Multichannel-Anwendungen wie Radiometric Stereo (Shape from Shading) und Multispectral Imaging sind somit schnell und kostengünstig realisierbar.

Das Mehrkanalsystem MultiChannel ermöglicht, in einem Durchlauf ein Mehrkanalbild eines Objektes mit bis zu acht unterschiedlichen Beleuchtungsarten, zum Beispiel aus verschiedenen Winkeln oder mit unterschiedlichen Wellenlängen, zu erfassen. Bei diesem System werden nur standardisierte Komponenten ohne Spezialelektronik eingesetzt. Es besteht aus Standard-Hardware wie bis zu acht triggerbaren Linienleuchten, der Zeilenkamera mit einfacher Verkabelung sowie einer beweglichen Linearachse mit Durchlichttisch. Der Beleuchtungsaufbau ist flexibel austauschbar und kann beispielsweise aus einer blauen und UV-Auflichtbeleuchtung sowie einer weißen Durchlichtbeleuchtung kombiniert mit zwei schräg abstrahlenden Linienbeleuchtungen bestehen.

Einsetzbar sind jegliche Lichtquellen und Controller, die durch ein Rechtecksignal getriggert werden können. Durch die eingesetzte Mechanik befinden sich alle Leuchten bereits in der korrekten Position. Zur exakten Justage der Kamera steht ein Kamerahalter zur Verfügung. Durch das genaue Timing der Beleuchtungssituationen nutzt das System das Limit der eingesetzten Komponenten aus, wodurch sehr kurze Belichtungszeiten der Zeilenkamera erreicht werden.

Ein möglicher Systemaufbau verwendet – anstelle eines traditionellen PCs mit integrierter Bildeinzugskarte (Framegrabber) – den externen Framegrabber LightBridge 2 von Silicon Software mit programmierbarem FPGA-Prozessor für die Bilderfassung und vorverarbeitung sowie einen kleinen Intel-NUC-Mini-PC (Next Unit of Computing) direkt an der Bildquelle. Der NUC-PC ist ein kleiner vollwertiger PC, der die finale Bildverarbeitung und -analyse bis zur Bildausgabe übernimmt. Der FPGA auf dem Framegrabber erlaubt die synchrone Triggerung von Beleuchtung und Kamera sowie das Sortieren der aufgenommenen Bilddaten in Echtzeit, was die CPU-Last des NUC-PCs deutlich verringert. Anstelle des NUC-PCs lässt sich optional ein Industrie-PC mit langen optischen Thunderbolt-Glasfaserkabeln räumlich getrennt an den externen Framegrabber anbinden, weshalb das System gut im Fertigungsumfeld einzusetzen ist.

„Vielfältige Architekturen denkbar“

Da das Oberteil des Systems bestehend aus Beleuchtung, Kamera, NUC-PC und dem externen Framegrabber abtrennbar ist, lässt es sich flexibel in andere Bildverarbeitungssysteme integrieren. „Hier sind vielfältige Architekturen denkbar wie zum Beispiel der Einsatz einer oder mehrerer Infrarot-Zeilenkameras (z.B. Multispectral Imaging mit InGaAs-Kameras) für die Abbildung unterschiedlicher Wellenlängen in multispektralen Anwendungen, aber auch Inspektionsaufbauten basierend auf Durchlicht oder das synchrone Verwenden mehrerer Framegrabber, um die Bandbreite des Systems zu erhöhen“, erläutert Michael Stelzl, Geschäftsführer von MSTVision und Entwickler des Multichannel2Go-Systems. Unterstützt werden derzeit monochrome Zeilenkameras für Camera Link, weitere Schnittstellen sollen folgen.

Das gesamte System lässt sich einfach transportieren und ohne großen Anpassungsaufwand nutzen. Anwender sind in der Lage, in kurzer Zeit Evaluierungen durchzuführen und selbst ausgewählte Hardware-Komponenten zu verwenden – ohne aufwändige Systeme zu bauen und von einzelnen Herstellern abhängig zu sein. Je nach Kamerasensor sind die unterschiedlichsten Wellenlängen bei Beleuchtungen einsetzbar, was Anwender anhand des flexiblen Systems selbst vorab testen können. Zudem haben sie die Möglichkeit, ein bereits auf ihre üblichen Anwendungen angepasstes System für einen begrenzten Zeitraum zu mieten oder vollständig zu erwerben, dieses im eigenen Testlabor dauerhaft zu betreiben und somit ohne Umbauten fundierte Machbarkeits-Analysen inklusive hochwertigem Bildmaterial für die eigenen Kunden zu erstellen.

Grafisch programmiertes Hardware-Applet

Für die Steuerung der Bild- und Signaldaten der Kamera(s) und Beleuchtungen hat MSTVision mit der Entwicklungsumgebung VisualApplets ein Hardware-Applet für Multichannel-Anwendungen entwickelt. Aufbauend auf einem vorhandenen Bildeinzugsdesign für Camera-Link-Kameras wurde das Applet in kurzer Zeit mit der grafischen Benutzeroberfläche erstellt und auf den FPGA des externen Framegrabbers portiert. Mit dem Applet werden Zeitpunkt und Dauer der Beleuchtungen sowie die hierzu synchrone Kameraauslösung und Belichtungszeit exakt festgelegt. Werden etwa Oberflächen von Smartphones auf verschiedene Fehler wie Blasen, Kratzer und Einschlüsse analysiert, lassen sich die einzelnen Fehler mit jeweils einer bestimmten Beleuchtungssituation detektieren. Für die Bildverarbeitung ordnet das Multichannel-Applet die aufgenommenen Zeilen für jede Beleuchtungssituation einem einzelnen Bildkanal zu, ohne die CPU zu belasten. Da die einzelnen Pixel aller Bildkanäle exakt synchron aufgenommen werden, sind keine Algorithmen zur Lagekorrektur einzelner Bilder notwendig.

Das Applet ist vorkonfiguriert einsatzbereit und für Anwender auf einer leicht zu bedienenden Software-Oberfläche parametrierbar, wodurch sie das Timing an ihre eigenen Anwendungen flexibel anpassen können. Zur einfachen Kontrolle der Einstellungen wird das auf den Ausgängen erwartete Signal-Timing visualisiert. Für die Integration des Applets in die eigene Software-Umgebung dient der vorerzeugte SDK Beispielcode (Software-Development-Kit). Schnittstellen existieren zu allen wichtigen Bildverarbeitungs-Bibliotheken. Für weitere Kameraschnittstellen lässt sich das Applet auf andere Hardware-Plattformen portieren.

Mit dem Bildverarbeitungssystem lassen sich unterschiedliche Wellenlängen verwenden, Winkel, Zeitverzögerungen und Lichtintensitäten einstellen und zum Beispiel Multispectral Imaging oder Radiometric Stereo (Shape from Shading) mit bis zu 200 kHz mit sehr hoher Auflösung realisieren.

Flexibel und hoch performant bei reduzierten Systemkosten

Die Kombination verschiedener Beleuchtungen mit einer oder mehreren Zeilenkameras und dem programmierbaren Framegrabber verringert die Komplexität und gesamten Systemkosten. Die Hardware ist stark reduziert und frei wähl- sowie austauschbar. Die optional realisierbare räumliche Trennung von Bildaufnahme durch den externen Framegrabber einerseits und der Bildauswertung per Host-PC andererseits durch deren Verbindung über lange Glasfaserkabel ist ein weiterer Vorteil. „Dieses sofort einsetzbare Bildverarbeitungssystem ist aufgrund der Standardkomponenten insgesamt deutlich günstiger und Langzeit verfügbar ohne Bindung an einzelne Hersteller, kann in eigenen Testumgebungen evaluiert und ohne Performance-Einbußen mit wenig Aufwand hardware- sowie softwareseitig angepasst werden“, betont Stelzl. ZITAT in den Text „Multichannel ist der einfachste Weg zu Zeilenkamera-Anwendungen mit gemultiplexten Beleuchtungssituationen.“ Michael Stelzl, Geschäftsführer von MSTVision und Entwickler des Multichannel2Go-Systems Dadurch ist eine Migration zu Multichannel sehr einfach, da kaum Änderungen der Hardware-Plattform oder Software notwendig sind. Eine komplexe Software entfällt ganz. „Das gesamte System erreicht seine hohe Performanz bei Datenbandbreite, Geschwindigkeit und Genauigkeit für Signalsteuerung und Bildverarbeitung durch den Framegrabber und die einfache und schnelle grafische Programmierung der FPGAs über VisualApplets. Da in diesem Anwendungsfall die LightBridge 2 als intelligente Schaltzentrale fungiert, war der Einsatz eines kompakten PCs möglich“, so Stelzl. Für die Zukunft plant er, das Multichannel-System und Applet auf weitere Kameraschnittstellen wie CoaXPress und auf neuere, noch leistungsfähigere Framegrabber-Serien zu portieren, um beispielsweise Sortieranwendungen mit Ausblasdüsen noch effizienter zu steuern.