Bildverarbeitung - Inhalt

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1 Bildverarbeitung

2 Bildverarbeitung - Inhalt 1. Anfänge der industriellen Bildverarbeitung 2. Von der Kamera zum Vision Sensor 3. Hardware Konzepte in der BV 4. Beleuchtungssysteme 5. Auswerteverfahren (Software) 6. Mensch-Maschine Schnittstelle 7. Schnittstellen zur Anwendung 8. Praktische Anforderungen Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 2

3 Bildverarbeitung - Geschichte 1974 DPCM (Differenz-Puls-Code-Modulation) 1978 Bildaufzeichnung mit Reduzierung der Datenmenge für semiprofessionell Videorecorder 1979 Bildverarbeitungssystem Intellect 1989 ff Frame-Grabber, PC-Systeme 1991 Ablösung der Röhrentechnik durch digitale Kameras 1994 Erste intelligente Kamera Optoluchs CCD 1996 Erste Smart Kamera VC 11 Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 3

4 Bildverarbeitung - Begriffe Begriffsdefinition Per Definition unterscheiden wir heute drei unterschiedliche Klassen (VDMA): Allgemeine Bildverarbeitungssysteme Frei programmierbar, flexibel, hoher Integrationsaufwand, teuer. Smart Kameras Komponenten integriert, programmierbar, eingeschränkte Leistung, mittlere Preisklasse Vision Sensoren Voll integriert, festgelegte Funktion, parametrierbar, einfache Schnittstelle, geringe Kosten. Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 4

5 Bildverarbeitung BV System Bildverarbeitungssystem Kamera (1..n) Objektiv Beleuchtung Halterung Elektrische Verbindung Elektronischer Bildeinzug (Frame-Grabber) PC oder Industrie PC Standard Betriebssystem (z.b. Windows) Bildverarbeitungssoftware Eingangs- / Ausgangssteuerung Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 5

6 Bildverarbeitung Smart Camera Smart Camera Kamera mit integriertem Prozessor Objektiv Beleuchtung Halterung Integrierte Schnittstellen Teilweise Standard Betriebssystem Bildverarbeitungssoftware Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 6

7 Bildverarbeitung Vision Sensor Vision Sensor Kamera mit integriertem Prozessor Objektiv integriert Beleuchtung integriert Halterung Integrierte Schnittstellen Betriebssystem nicht zugänglich BV Anwendung festgelegt, nur parametrierbar Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 7

8 Bildverarbeitung Kamera Technik Entwicklung der Kamera Systeme Früher Video Kamera nach Fernsehnorm mit Videoausgang Danach Digitale Kameras in CCD oder CMOS Technologie S/W oder Farbkameras Flächen oder Zeilenkameras Pixelauflösungen von 320 x 240 bis 3296 x 2472 Heute Schnelle digitale Schnittstellen wie USB 2.0, GigE Vision, FireWire und CameraLink. Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 8

9 Bildverarbeitung Kamera Technik Bekannte Bildformate PAL VGA HDTV 720 x 576 (5:4) Analoges Fernsehen 640 x 480 (4:3) Ältere Computer Bildschirme 1920 x 1080 (16:9) Hochauflösendes digitales Fernsehen Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 9

10 Bildverarbeitung Architektur einer Smart Camera CMOS/CCD Sensor A/D Wandler Framegrabber D/A Wandler VGA Video Ausgang Speicher (SDRAM) Serielle Schnittstelle RS 232 Schnittstelle Flash EPROM Prozessor DSP 10/100 Ethernet Ethernet Schnittstelle Digitale I/O SPS Eingänge / Ausgänge Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 10

11 Bildverarbeitung - Beleuchtung Hellfeld, intern Dunkelfeld, intern Dunkelfeld, extern Hellfeld, extern Durchlicht (Hellfeld) Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 11

12 Bildverarbeitung - Beleuchtung Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 12

13 Bildverarbeitung - Beleuchtung Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 13

14 Bildverarbeitung - Beleuchtung Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 14

15 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Auswerteverfahren Grauwert Gradient Muster Kontur Kontrast Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 15

16 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Gesamtbild Ausgewählter Bereich Grauwert bei diesem Verfahren werden die Pixel in einem bestimmten Helligkeitsbereich gezählt. Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 16

17 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Gesamtbild Ausgewählter Bereich Gradient zählt die Grauwertübergange anhand einer Kontur. Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 17

18 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Bei der Gradienten-Methode wird vor dem Grauwertalgorithmus eine Sobel-Filterung durchgeführt Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 18

19 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Gesamtbild Ausgewählter Bereich Muster Vergleicht das eingelernte Model mit dem aktuellen Muster. Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 19

20 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Unterscheiden sich die roten Linien in der Länge? Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 20

21 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Gesamtbild Ausgewählter Bereich Kontur Anhand der Hell/Dunkel-Übergänge wird eine Kontur ermittelt und Eingelernt. Diese wird dann als Vergleichgröße herangezogen. Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 21

22 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Gesamtbild Ausgewählter Bereich Kontrast Bewertet die Hell/Dunkel-Übergänge in einem gewissen Bereich (Setzen eines Schwellwerts). Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 22

23 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Kontrast=100% Kontrast=0% Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 23

24 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Vollständigkeits- Formvergleich Lagererkennung Prüfung Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 24

25 Bildverarbeitung - Auswerteverfahren Leistungsgrenzen bei Vision Sensoren: Bei denen Fehler- und Gut Teile exakt definiert sind. Bei denen Gutteile nur sehr geringe Toleranzen haben. Bei denen der Unterschied zwischen Gut und Schlechtteilen signifikant ist. Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 25

26 Bildverarbeitung - Bedienung Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 26

27 Bildverarbeitung - Bedienung Einschalten und trennen Schaltfläch e Allgemeine Einstellungen Bildanzeige, ROI festlegen, Bild speichern Test starten Jobs Ergebnisanzeige Einstellung der Checks Statusleiste Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 27

28 Bildverarbeitung Schnittstellen zur Anwendung Schnittstellen zur Anwendung Monitor (Bild) VGA, SVGA Serielle (Daten) RS 232, RS 485, RS 422 Punkt zu Punkt (Daten) Ethernet, USB Feldbusse (Daten) ProfiBus, ProfiNet, CAN Digitale Ausgänge 24 V DC Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 28

29 Bildverarbeitung Praktische Anforderungen Geschwindigkeit Shutterzeit 1/ Blitzzeit? Bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 10 m/s bewegt sich das Objekt um 1 mm, wenn der Kamerashutter (Verschlusszeit) auf 1/ (Grenzwert) eingestellt ist. Dies ist für viele Anwendungen ungenügend. In diesem Fall muss die Blitzzeit der Beleuchtung kleiner sein, also z.b. 1/ Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts = 10 m/s Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 29

30 Bildverarbeitung Praktische Anforderungen Taktzeit Bildübertragungszeit plus Rechenzeit Bei 5 Objekten pro Sekunde stehen theoretisch 200 ms zur Verfügung. Da die Weiterverarbeitung der Information auch Zeit benötigt, geht man in der Regel von dem halben Wert aus. Die Kamera benötigt 16 ms zur Bildübertragung. Es stehen dann noch 84 ms Rechenzeit zur Verfügung. Anzahl der Objekte pro Zeit = 5 pro s Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 30

31 Bildverarbeitung Praktische Anforderungen Fokus und Schärfentiefe Bilder entnommen aus Wikimedia Commons Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 31

32 Bildverarbeitung Praktische Anforderungen Fokus und Schärfentiefe Folgendes ist als Faustregel zu beachten: Größere Leseabstände (Fokus) benötigen mehr Licht. Größere Schärfentiefe erfordert eine kleinere Blende. Kleinere Blenden führen zu Lichtverlust. Größere Schärfentiefe erfordert somit mehr Licht. Kleinere Belichtungszeiten (Shutter) benötigen mehr Licht. Hohe Bewegungsgeschwindigkeiten erfordern kurze Belichtungszeiten. Somit geht Geschwindigkeit immer gegen Schärfentiefe. Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 32

33 Bildverarbeitung Danke für Ihre Aufmerksamkeit Bildverarbeitung 08/2010 W.Weber Seite 33