AKTUELLE TRENDS IN DER INDUSTRIELLEN BILDVERARBEITUNG

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1 AKTUELLE TRENDS IN DER INDUSTRIELLEN BILDVERARBEITUNG Trends in der Industriellen Bildverarbeitung Automation Valley Nordbayern Netzwerk für die Automatisierungstechnik PD Dr.-Ing. Thomas Wittenberg,

2 Inhalt! BV-Markt und allgemeine Trends! Technologietrends 2

3 Industrielle Bildverarbeitung Marktvolumen Ergebnisse der jährlichen VDMA Marktbefragung Industrielle Bildverarbeitung Gesamtumsatz Deutschland (Inland + Export) *Prognose Quelle: VDMA-Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung (Stand November 2012) 3

4 Industrielle Bildverarbeitung Marktsituation! Boomende Nachfrage von Anwendern! Industrielle Qualitätssicherung weiterhin wichtigste Applikation! Stark fragmentierter Anbietermarkt; viele kleine, eng spezialisierte Anbieter! Diffuses Profil da Querschnittstechnologie; Zuordnung zu Branchen und Resorts uneindeutig! Wenig öffentliche Förderung! Engpässe bei qualifiziertem Personal 4

5 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

6 Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik Fertigungsintegrierte optische Prüfsysteme Generisches Systemkonzept! Daten-Auswertung, Kommunikation! Daten-Erfassung! Warenfluss 6

7 Fertigungsintegrierte Prüfsysteme Applikation: Röntgenprüfung»Leichtmetall-Gussräder«! Räderprüfanlage von HEITEC! Sicherer Griff und volle Kontrolle des Rades! Sehr schnelle Fördertechnik, Werkstückwechsel in ca. 7,5 s! Gesamtprüfzeit für ein 17 -Rad ca. 18 s 19 s! Fehler ab ca. 3% der Wandstärke! Prüfbare Größen: 13 23, bis 40 kg Greifsystem der neuen Anlage 7

8 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess! Neue Anwendungsfelder, zunehmend auch jenseits der Fabrikgrenzen Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

9 Industrielle Bildverarbeitung Beschreibung von Prüfaufgaben Nach Richtlinie VDI/VDE 2628 In Arbeit: Neue Richtlinie VDI/VDE

10 Neue Anwendungen Recycling und Mülltrennung ftp://ftp.imaging.de/websites/documents/applications/en_de-application-ctr.pdf 10

11 Neue Anwendungen Agrar Tabakscanner Arabidopsis- Scanner Pflanzenphänotyping Feldscanner für Rübenpflanzen 11

12 Neue Anwendungen Medizin: Laborautomatisierung! HemaCAM! Vollautomatisiertes Mikroskop! Klassifikationsvorschlag für Differentialblutbild (7 Klassen)! < 3 Minuten / 100 Leukozyten! Medizinprodukt-Zulassung (IVD) seit 10/2010 (98/79/EC Annex I)! Europaweiter Vertrieb! In Entwicklung! Morphologie roter Blutzellen! Anbindung Laborinformations- Systeme! Unreife Zellen 12

13 Neue Anwendungen Digitale Pathologie - Scanner und Bildauswertung Automatisches Probenhandling (Batch-betrieb, Objektträger)! Verschiedene Auflösungen und Bildausschnitte! Durchlicht, Phasenkontrast und Fluoreszenz! Service-freundliche und flexible Modulkonzepte! Scanning-Software und SDKs Bilddatenmanagement SCN400_SL801_4_46_092c8b3902.jpg wp-content/uploads/2009/12/http Quelle: Quelle: Fraunhofer IIS, Scube 13

14 Neue Anwendungen Digitale Pathologie - Scanner und Bildauswertung 14

15 Neue Anwendungen Pharmazie Quantifizierung von Makropghagenausbreitung Kolokalization 15

16 Neue Anwendungen Verkehr 16

17 Neue Anwendungen Fahrerüberwachung 17 Quelle: Fraunhofer IDMT / youtube

18 Neue Anwendungen Telepräsenzroboter und Monitoring Produktblatt_SHORE_dt_ _Seite_2_Bild_0002.jpg 18

19 Neue Anwendungen Sport 19

20 Neue Anwendungen Sport:GoalControl 20

21 Neue Anwendungen Sport: Hawk-Eye 21

22 Neue Anwendungen Sicherheitstechnik durch Terahertz! Durchstrahlung der Prüflinge mit THz-Pulsen! Hohe Eindringtiefe, geringe Streuung, gute räumliche Auflösung! Bildgebung im 2D-Format (Imaging) oder 3D-Format (Tomographie) sowie flächige Spektroskopie aufgrund spezifischer Materialsensitivität! Nicht ionisierende Strahlung, ohne Abschirmung offen einsetzbar (unbedenklich für Menschen)! Einsatz nur bei dielektrischen Materialien, Absorption durch Wasser, Reflexion durch metallische Leiter 22

23 Neue Anwendungen Zusammenfassung! Recycling (Abfälle als Rohstoffquelle)! Landwirtschaft (Ernte, Düngen, Phänotyping, )! Medizin (Labortechnik, Computer Assistierte Diagnose, Chirurgie)! Pharmazie (Quantifizierung von Experimenten,... )! Verkehr (Sicherheit, Maut, Optimierung von Verkehrsströmen,... )! Altenpflege (Monitoring im häuslichen Umfeld, Telemedizin,... )! Sport (»elektronischer Linienrichter«,... )! Sicherheitstechnik (Erkennung von Gefahrensituationen, Rettungsroboter,...)! Kriminologie (Schuhspurenvergleich, Rekonstruktion von Akten,...)! Nautic (Algen, Öl, Verschmutzung,...).! Raumfahrt (Mars,... ) 23

24 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess! Neue Anwendungsfelder, zunehmend auch jenseits der Fabrikgrenzen! MMI: Einfachere Anwendbarkeit und intuitive Bedienbarkeit der Systeme Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

25 Benutzerschnittstellen Klassisch! Umrüsten, Adaptieren, Einlernen oder Einrichten von Prüf-, und Messsysteme, z.b. auf neue Produktvarianten Industrie 4.0! Nachverfolgung von Waren! Rekonstruktion von Produktionsfehlern! Analyse von Prozessen!»Machine Health«bzw.»Machine Diagnostics«!»Information on Demand«! Interaktive Visualisierung! Immersive Interaktionen 25

26 Benutzerschnittstellen Intuitive Bedienbarkeit 26

27 Benutzerschnittstellen Gestenbasierte Interaktionen Motivation:! Nach WIMP (Touchscreens) Interaktive und Immersive Interaktionen! Berührungslose Steuerung von Gerätschaften! Gestensprache ist fast unbegrenzt! Spontane Benutzung, kein Eingabegerät notwendig 27 Quelle: Fraunhofer HHI

28 Benutzerschnittstellen Intuitive Bedienbarkeit https://fbcdn-sphotos-b-a.akamaihd.net/hphotos-ak-ash3/10066_ _ _n.jpg 28

29 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess! Neue Anwendungsfelder, zunehmend auch jenseits der Fabrikgrenzen! Einfachere Anwendbarkeit und intuitive Bedienbarkeit der Systeme! Zunehmende Bedeutung von Software und Algorithmik Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

30 Industrielle Bildverarbeitung Software! These:!» Die Auswahl der Software-Module der BV-Pipeline basiert in heutigen BV-Systemen oftmals auf Erfahrung und Genialität der Ingenieure und Entwickler sowie Trial and Error «30

31 Industrielle Bildverarbeitung Software 31

32 Industrielle Bildverarbeitung Software! These:!» Die Auswahl der Software-Module der BV-Pipeline basiert in heutigen BV-Systemen oftmals auf Erfahrung und Genialität der Ingenieure und Entwickler sowie Trial and Error «! Bedarf! Software und Algorithmik zur automatischen und optimalen Auswahl von BV-Moduln zur Erreichung der bestmöglichen Prüf- und Messergebnisse. 32

33 Industrielle Bildverarbeitung.. und Algorithmik! Traditionell:»ikonische«(Pixelbasierte) Bildverarbeitung! Bildverbesserung durch lineare Filter (Gauss, Mean, Sobel,... )! Bildsegmentierung durch Flächen/Pixel-basierte Ansätze (Schwellwerte, RG, Labeling, Wasserscheidentransformation,... )! Textur-Charakterisierung durch Pixel-Muster (GLCM, Histogramme, Lauflängen, SDHs,...! Klassifikation: k-nächster-nachbar, Bayes-Klassifikator, SVM! Formulierung und Lösung als mathematische Probleme! Lösung durch Variationsansätze und Optimierungsverfahren! Bildverbesserung: Anisotrope Diffusion,...! Bildsegmentierung: Graph-Cuts, Level-Sets,...! Klassifikation: SVM, Bagging and Boosting, Entscheidungsbäume,... 33

34 Industrielle Bildverarbeitung»Compressed Sensing«http://www.wired.com/magazine/wp-content/images/18-03/ff_algorithm2_f.jpg! Mathematische Theorie der Datenerfassung für die Signal- und Bildverarbeitung.! Idee: Datenobjekte (Signale, Bilder,...) können (mit einer passenden Basis) als Linearkombinationen von wenigen Vektoren dargestellt werden! Hochdimensionale Daten lassen sich durch wenige lineare Messungen rekonstruieren! Anwendungen:! Röntgentechnik mit reduzierter Strahlungsbelastung! Auflösungssteigerung von Sparse Sensors (z.b. MRT, TOF, Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM),... ) 34

35 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess! Neue Anwendungsfelder, zunehmend auch jenseits der Fabrikgrenzen! Einfachere Anwendbarkeit und intuitive Bedienbarkeit der Systeme! Zunehmende Bedeutung von Software und Algorithmik! Mehr multimodal arbeitende Systeme und Fusion von Sensordaten Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

36 Definition»Multimodal«! Kombination unterschiedlicher Qualitäten von elektromagnetischer Strahlung (Intensität, Wellenlänge, Polarisation)! Kombination von Belichtungsmöglichkeiten (Fluoreszenzlicht, Weißlicht, Phasenkontrast,... )! Kombination unterschiedlicher Sensoren (Farbe + TOF, PET+SPECT, Endoskopie + US, CT + MRT, Wärme + 3D-Vermessung,... ) 36

37 Industrielle Bildverarbeitung Sensordatenfusion (Beispiel Kinect) 37

38 Industrielle Bildverarbeitung Sensordatenfusion! Simultane Überprüfung von Form und Oberfläche während des Transports! Oberflächen- und Rissprüfung durch Wärmeanregung und Infrarotkamera! Formvermessung durch 3D-Bildgebung! Bildregistrierung und gemeinsame Auswertung 38 B. Oswald-Tranta & P. O'Leary, "Fusion of geometric and thermographic data for the automatic inspection of forgings and castings Proc. SPIE 8000, Tenth Int. Conf. on Quality Control by Artificial Vision, 80000G (July 12, 2011); doi: /

39 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess! Neue Anwendungsfelder, zunehmend auch jenseits der Fabrikgrenzen! Einfachere Anwendbarkeit und intuitive Bedienbarkeit der Systeme! Zunehmende Bedeutung von Software und Algorithmik! Mehr multimodal arbeitende Systeme und Fusion von Sensordaten! Zunehmende Miniaturisierung und eingebettete Intelligenz Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

40 Aktuelle Trends Miniaturisierung... 40

41 Aktuelle Trends... und eingebettete Intelligenz! Kompakt! 4 Watt! Modular! Unterschiedliche Sensors für verschiedene Anwendungen (HDTV, HDR, IR)! Intelligent! Embedded Bildverarbeitungsmodule z.b. Detektion und Analyse von Objekten! Multiple Kameras können miteinander kommunizieren und Informationen austauschen! Autonom! Drahtlose Übertragung von Video, Audio, etc. 41

42 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess! Neue Anwendungsfelder, zunehmend auch jenseits der Fabrikgrenzen! Einfachere Anwendbarkeit und intuitive Bedienbarkeit der Systeme! Zunehmende Bedeutung von Software und Algorithmik! Mehr multimodal arbeitende Systeme und Fusion von Sensordaten! Zunehmende Miniaturisierung und eingebettete Intelligenz! Fortschritte bei der Standardisierung von Schnittstellen Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

43 Industrielle Bildverarbeitung Standardisierte Schnittstellen Standardisierte und offene Schnittstellen Plug & Play Technologien 43

44 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess! Neue Anwendungsfelder, zunehmend auch jenseits der Fabrikgrenzen! Einfachere Anwendbarkeit und intuitive Bedienbarkeit der Systeme! Zunehmende Bedeutung von Software und Algorithmik! Mehr multimodal arbeitende Systeme und Fusion von Sensordaten! Zunehmende Miniaturisierung und eingebettete Intelligenz! Fortschritte bei der Standardisierung von Schnittstellen! Steigende Leistungsfähigkeit und Informationsdichte Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

45 Industrielle Bildverarbeitung Benötigte Rechenleistung! Die Anforderungen an die Rechenleistung steigen ständig! Vermehrter Einsatz von Farb- und Multispektralkameras! Steigende Sensorauflösungen! Höhere Bildraten der Sensoren! Höhere Dynamik (Bitbreite)! Komplexe Algorithmen und große Filterkerne 45

46 Informationsdichte»Big Data«Volume Velocity Value! Variety 46

47 Datenmengen 47

48 Industrielle Bildverarbeitung Bilddaten 2012/02/ !!!! 48

49 Industrielle Bildverarbeitung Leistungsfähigkeit von Computern Hans Moravec: When will computer hardware match the human brain? Journal of Evolution and Technology Vol

50 Industrielle Bildverarbeitung Vorhandene Rechenleistung The number of transistors incorporated in a chip will approximately double every 24 months (Gordon E. Moore)! Die Leistung der PC-Prozessoren steigt kontinuierlich...!... allerdings nicht schnell genug für die Anforderungen der benötigten Verarbeitung von Bilddatenströmen Was können wir tun?! Effiziente Algorithmen (z.b. Integral Image Filter)! Embedded Systeme (übernächster Vortrag)! Parallele Verarbeitung (Multi-Core-Systeme)! FPGAs! GPU s (Billig, schnell, On-Board Memory, Standardisierte Schnittstellen, CUDA,...) 50

51 Industrielle Bildverarbeitung Anwendungen von GPU s NVIDIA GeForce GTX 690 Nicht alle BV-Algorithmen sind gleichermaßen für GPU s geeignet! Farbbildverarbeitung! Konvertierung von Bayer-Rohdaten in RGB-Bilder! Farbraumkonvertierung (RGB, HSV, YUV)! Shadingkorrektur mit Kompensation von Pixeldefekten! Gammakorrektur! Bildfilterung und Farbmaskierung! Mittelung über Bildsequnzen! Korrektur geometrischer Verzeichnungen 51

52 Industrielle Bildverarbeitung Anwendungen von GPU s 52

53 Industrielle Bildverarbeitung»Number Crunching«Animation Evolution: A Biopic Through the Eyes of Shrek Moving Animation to a High Performance Computing Cloud 53

54 Industrielle Bildverarbeitung Aktuelle Trends : Zusammenfassung! Verschmelzung von Mess- und Automatisierungstechnik! Heranrücken der Mess- und Prüftechnik an den Produktionsprozess! Neue Anwendungsfelder, zunehmend auch jenseits der Fabrikgrenzen! Einfachere Anwendbarkeit und intuitive Bedienbarkeit der Systeme! Zunehmende Bedeutung von Software und Algorithmik! Mehr multimodal arbeitende Systeme und Fusion von Sensordaten! Zunehmende Miniaturisierung und eingebettete Intelligenz! Fortschritte bei der Standardisierung von Schnittstellen! Steigende Leistungsfähigkeit und Informationsdichte Quelle: Marktstudie»3D-Messtechnik«, Fraunhofer-Allianz Vision,

55 Jegliche Art von Bildverarbeitung Ergebnis (Prüf-, Mess-, Diagnose-, Sortier-,..., Erkennunsgleistung Geschwindigkeit Systemkosten 55

56 Vielen Dank! PD Dr. Thomas Wittenberg Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen Am Wolfsmantel 33, Erlangen Telefon

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