Industrielle Kameras, ihr Markt und ihre technischen Merkmale

Anwender und Hersteller sehen breite Einsatzfelder über die gesamt Wertschöpfungskette

  • Marktstudie Industrielle Kameras (Bild: tashatuvango - Fotolia.com)Marktstudie Industrielle Kameras (Bild: tashatuvango - Fotolia.com)
  • Marktstudie Industrielle Kameras (Bild: tashatuvango - Fotolia.com)
  • Abb. 1: Anwendungen und Einsatzgebiete Industriekameras
  • Abb. 2: Bildverarbeitungseinsatz nach Branche
  • Abb. 3: Preisklassen Industriekameras Hersteller
  • Abb. 4: Preisklassen Industriekameras Anwender
  • Abb. 5: Markenbekanntheit und Einsatz Kameramarken
  • Abb. 6: Einsatz von Sensormarken Hersteller
  • Abb. 7: Einsatz Sensormarken Anwender
  • Abb. 8: Markenbekanntheit und Einsatz Objektivmarken
  • Abb. 9: Schnittstellenrelevanz Hersteller
  • Abb. 10: Schnittstellenrelevanz Anwender
  • Abb. 11: Bandbreitenrelevanz

In Kooperation mit den Fachzeitschriften Vision Systems Design und Inspect ermittelt der Bildverarbeitungsspezialist Framos jährlich die Trends der Branche für die weitere technische und wirtschaftliche Entwicklung aus Anwender- und Herstellersicht. Für die 9. Marktstudie gaben 60 Hersteller und Anwender aus 19 Ländern Antworten zum Status Quo des Bildverarbeitungsmarktes und der weiteren Entwicklung.

Der derzeitige Schwerpunkt der Bildverarbeitung liegt in der Automatisierung für Industrie 4.0 und Wissenschaft. Die Einbettung der Systeme und eine intuitive Implementierung unterstützt dabei die ungebrochene Investitionsbereitschaft. Stabile Preise und starke Marken sowie der technologische Fortschritt im Bereich Sensoren und Schnittstellen sind dabei Motor hin zu einer robusten Embedded Vision. Die Miniaturisierung und eine intelligente Datennutzung in vernetzten Prozessen unterstützten die Skalierbarkeit und Rentabilität auch für mittelständische Unternehmen. Augmented Reality und Deep Learning werden als strategische Wachstumsfelder innerhalb der digitalisierten Wertschöpfung angesehen.

Basis der Studie bilden die Aussagen von 52 Anwendern und 8 Herstellern, die in durchschnittlich 15 Minuten ausführliche Antworten zu Kameras, Sensoren und Applikationen sowie Zukunftsprognosen abgaben. Mit 55 % bildeten europäische Teilnehmer die stärkste Gruppe, Amerika ist mit 23 % und Asien/Mittlerer Osten zu 22 % vertreten. Anhand der abgefragten Einkaufs- bzw. Produktionsvolumina wurde ein Relevanzranking vorgenommen. Einkauf und Produktion liegen zu 62 % und 43 % schwerpunktmäßig in Europa, die Hersteller produzieren zu 13 % zusätzlich in Asien sowie zu 6 % in Amerika. Bei den Anwendern agieren Asien und Amerika mit je 28 % als gleichstarke Einkaufsmärkte hinter Europa. Gegenüber 2015 ist ausschließlich ein Rückgang beim Anteil des amerikanischen Produktionsmarktes (28 % in 2015) zu erkennen, der auf eine schwächere Studienbeteiligung aus Nord- und Südamerika zurückzuführen ist.
 

Industrie 4.0 und Wissenschaft bilden derzeitigen Schwerpunkt der Bildverarbeitung

Die Produktionsautomatisierung und Robotik bilden basierend auf der optosensorischen Messtechnik und Qualitätssicherung die Haupteinsatzgebiete der Bildverarbeitung auf Hersteller- und Anwenderseite.

Jeweils zwischen 40 % und 63 % alle teilnehmenden Unternehmen gaben an, die visuelle Sensorik in diesen Bereichen einzusetzen. Mit rund einem Drittel sind wissenschaftliche Anwendungen mit Medizintechnik und Diagnoseapplikationen ein weiterer Anwendungsschwerpunkt. Verkehrsanwendungen inklusive Fahrerassistenzsystemen sind zumindest auf Herstellerseite zu 25 % und 13 % signifikant genannt, auf Anwenderseite mit 10 % und 2 % jedoch mit einer geringeren Relevanz versehen. (vergl. Abb. 1 und 2)

Auch innerhalb der Branchenverteilung dominieren der Maschinenbau und die altbekannte Automobilindustrie sowie Elektronik und Messtechnik. Forschung und Entwicklung sowie Medizintechnik und Gesundheitswesen folgen. Weitere nennenswerte Einsatzbereiche befinden sich in der Lebensmittelindustrie, in Druck und Verpackung, Sicherheit und Überwachung sowie dem übergreifenden Logistikbereich.
 

Eigene Implementierung stützt Investitionsbereitschaft für Embedded Vision

Im Vergleich zum letzten Jahr verkaufen die Hersteller deutlich mehr an Direktkunden, 40 % in diesem Jahr gegenüber 24 % in 2015 lassen darauf schließen, dass die gestiegene Nutzerfreundlichkeit in Implementierung und Bedienung sowie die benötigte Individualisierung hier zusammenspielen. Was aber nicht zwangsläufig dem Einsatz von Smart Cameras in die Hände spielt: Die Anwender sehen in den nächsten 2 Jahren nur ein gering steigendes Potenzial von 27 % auf 34 %, die Steigerung von 13 % auf 20 % auf Herstellerseite verbleibt anteilig niedrig. Das verwundert nicht, da die Hersteller zu je 30 % an Systemintegratoren und OEM‘s verkaufen, die eigenes technisches Know-How und anwendungsspezifische Sonderanforderungen im Gepäck haben. Im Vergleich zum Vorjahr stagniert der Einsatz der vorkonfigurierten Smart Cameras bei 27 %. Für einfache Prüfaufgaben und Prozesse mit geringer Komplexität werden diese vorkonfigurierten Kompaktsysteme sicherlich weiter beliebte und einfach zu integrierende Bausteine sein. Mit der verstärkten Einbindung der Bildverarbeitungssysteme in die SPS sehr individueller Anlagen und komplexer Fertigungsprozesse, Stichwort Embedded Vision, wird jedoch der Einsatz modularer Bildverarbeitungssysteme mit einer zentralen Steuerungseinheit notwendig. Je mehr Kameras im Einsatz sind, je mehr Aufgaben damit erledigt werden und je höher die Komplexität der Gesamtanwendung ist, desto sinnvoller und kosteneffektiver ist der Einsatz von zentralisierten Controllern, die mehrere Kameras und abhängige Systeme aufgabenübergreifend analysieren und vernetzt steuern.

Wie auch in den vergangenen Jahren ist die Investitionsbereitschaft für Bildverarbeitungssysteme ungebrochen hoch. Getrieben durch die Digitalisierung und Automation in der Fabrik der Zukunft und dem Einsatz der visuellen Messtechnik in Wissenschaft, Überwachung und Unterhaltung geben 100 % aller Hersteller und 90 % aller Anwender an, in den nächsten zwei Jahren neue bildverarbeitungsbasierte Systeme einzuführen oder vorhandene Systeme modernisieren zu wollen. Dabei möchten 64 % aller Anwender ihr System selbst entwickeln und auch implementieren. Mit Hinblick auf die vollständige Vernetzung von Produktion und Prozessen sind den Nutzern dabei mitdenkende, intelligente Systeme am wichtigsten, deren Einbettung unkompliziert ist und dennoch ein hohes Maß an Individualisierung erlauben. Die Nutzung von bildbasierter Softwareintelligenz, dem sogenannten Deep Learning, steckt dabei noch in den Kinderschuhen und bildet gleichzeitig das größte Potenzial zur strategischen Nutzung der Bildverarbeitungstechnologie.

 

Stabiles Preisniveau und hohe Markenbekanntheit

Ob der Markt verlässlich wächst, hängt neben der prinzipiellen Kaufbereitschaft am Preisniveau. Nach noch 70 % in 2014 wollen wie in 2015 die Hersteller wieder nur rund 44 % ihrer Kameras im mittleren Preissegment zwischen 150 $ und 650 $ produzieren. Damit ist nach den vorausgegangenen Jahren des sukzessiven Preisverfalls eine weitere Stabilisierung angezeigt. Billigkameras unter 150 $ spielen mit 26 % auf Herstellerseite und nur 11 % auf Anwenderseite die prozentual geringste Rolle auf beiden Seiten. Gegenüber 2015 verlieren zwar auch die Hochpreiskameras ab 650 $ / 1.000 $ / 3.000 $ 12 Prozentpunkte, was aber ausschließlich Kameras der gehobenen Mittelklasse zwischen 650 $ und 1.000 $ betrifft und mit einer Verschiebung zu Kameras ab 350 $ das mittlere Preissegment stärkt und auch im gestiegenen technologischen Standard begründet liegt. Für durchschnittlich komplexe Aufgaben genügen heute günstigere Kameras als noch vor wenigen Jahren. Der stabile Anteil an Kameras ab 1.000 $ / 3.000 $ auf Hersteller- (19 %) und Anwenderseite (23 %) zeigt, dass für die komplex vernetzten Automatisierungsprozesse und eingebetteten optischen Steuerungssysteme auch weiterhin hochwertige und individualisierte Kameras benötigt werden. (vergl. Abb. 3 und 4)

Die bekannteste Kameramarke unter den Anwender ist dabei e2v mit 52 % gestützter Markenbekanntheit, wobei anzunehmen ist, dass hier prozentualer Ruhm aus dem Sensorbereich herüberweht. Im dichtgedrängten Verfolgerfeld tummeln sich mit je 46 % Matrox, Teledyne Dalsa und Cognex. Am häufigsten eingesetzt werden hingegen mit fast einem Drittel (31 %) Sony-Kameras, Basler folgt mit 27 % und Teledyne Dalsa und IDS mit je 25 %. (vergl. Abb. 5)

 

CMOS-Umstellung begründet Steigerung bei Custom-Sensoren - Sony und On Semi bleiben stark

Im Rahmen der Abkündigung der CCD-Sensoren von Sony innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre wollen wie im Vorjahr knapp 40 % der Hersteller und Anwender auf CMOS-Technologie umsteigen. Knapp 2/3 aller Hersteller und 1/3 aller Anwender betrifft dies noch nicht einmal mehr, da sie bereits ausschließlich auf CMOS-Sensoren setzen. Die strategische Entscheidung von Sony hat bisher anscheinend nur auf Herstellerseite Auswirkungen. Im Gegensatz zum 2015 kaum merklich prognostizierten Abfall von 42 % auf 40 % setzen heuer noch 32 % aller Kameraproduzenten auf Sony, wollen aber mit 37 % in zwei Jahren fast wieder an das Niveau vor der Abkündigung anknüpfen. Auf Anwenderseite setzen im Vergleich zum Vorjahr sogar mehr Nutzer auf Sony (35 % auf 53 %) und der prognostizierte Abfall auf 25 % ist vollständig vom Tisch – 51 % wollen auch in zwei Jahren dem Marktführer treu bleiben. Damit zeigen sowohl Hersteller wie Anwender Vertrauen in Sony und seine technologische Strategie und die weitere Modellentwicklung. Die Mehrheit der Anwender und Hersteller gibt an, vom Lieferverzögerungen durch das Erdbeben in Japan nicht betroffen zu sein, nur 13 % der Hersteller rechnen mit starken Verzögerungen. Durch die CCD-Verschiebungen profitieren auf Herstellerseite e2V (von 3 % auf 12 %) und kundenspezifische Sensoren (von 4 % auf 19 %) mit gleichbleibenden positiven Prognosen. Marktzweiter On Semiconductor kann sich sowohl auf Herstellerseite mit nur geringem Abfall (34 % auf 29 %) - wie auch auf Anwenderseite mit moderatem Wachstum (von 11 % auf 16 %) gegenüber dem Vorjahr stabil halten und bleibt laut den Voraussagen auf dem jetzigen Niveau. (vergl. Abb. 6 und 7)

Die Hersteller verkaufen bereits 85 % ihrer Kameras mit CMOS-Technologie, die Nutzer wollen dieses Einkaufsniveau in den nächsten zwei Jahren erreichen. Ohne eine Steigerung zum Vorjahr setzen mit 51 % heute bereits die Hälfte aller Anwender auf CMOS, sagen aber im Gegensatz zu 2015 ein schnelleres Wachstum auf 83 % (gegenüber 70 %) voraus. Es ist gut möglich, dass viele Firmen bereits mit der Planung und dem Design-In begonnen haben, der Go-Live mit erneuerten Sensoren und Systemen aber noch vor Ihnen liegt.

 

Für Embedded Systems: Kleine Sensoren mit hoher Auflösung und passenden Objektiven

Die technologische Weiterentwicklung der CMOS-Sensoren mit kleineren Pixelgrößen, höheren Auflösungen und verbesserter Sensitivität begünstigt mit der einhergehenden Miniaturisierung den Einsatz der Bildverarbeitung in integrierten Systemen. Augmented Reality-basierte Datenbrillen zur effektiven Produktionswartung und Assistenzsysteme zur Mensch-Maschine-Kollaboration in der Robotik sowie autonome Transportsysteme in Verkehrs-, Automobil- und Logistikbereich sind Beispiele für hoch qualitative, miniaturisierte und eingebettete Bildverarbeitungsintelligenz zur Steuerung und Überwachung der digitalen Wirtschaft. Bei den Megapixel-Auflösungen sind dementsprechend die vorausgesagten Sprünge in die nächsthöhere Klasse eingetreten. Setzten 2015 noch knapp 30 % der Anwender auf Sensoren unter 1 MP, so sind es 2016 gerade noch 10 %. Die Verluste der kleinsten Klasse sind als Zuwächse in der Klasse zwischen 1 und 3 MP (+10 %) sowie der Klassen zwischen 3 und 5 MP (+2 % ) sowie zwischen 5 und 10 Megapixel (+3 %) zu verzeichnen. In zwei Jahren sehen die Anwender bereits einen breiten Fokus bei Sensoren im Bereich zwischen 5 und 10 Megapixeln, diese Klasse soll von 11 % auf 26 %-Anteil wachsen. Herstellerseitig wird eher vorsichtig geplant, das Wachstum sehen die Kameramanufakturen eher zwischen 1 und 5 MP, mit einem weiter signifikanten und stabilen Anteil unter 1 MP. Die beliebteste Read-Out-Technologie ist mit 55 % auf Hersteller- und 77 % auf Anwenderseite der die verzehrungsfreie Global Shutter-Methode.

Einig sind sich Anwender und Hersteller bezüglich der Sensor-Miniaturisierung. Von 20 % auf 49 % ist die Klasse der Sensoren zwischen 1/3“ und 1/2“ bei den Anwendern vom letzten auf dieses Jahr gewachsen. Auch die Hersteller erreichen in dieser Größenklasse mit 41 % den höchsten Wert ihrer Verkäufe und haben mit zusätzlichen 17 % unter 1/3“ Sensorgröße ihren Schwerpunkt deutlich im Miniaturbereich, wahrscheinlich begünstigt durch OEM-Geschäft mit Embedded Systems. Passend dazu verkaufen die Hersteller über die Hälfte ihrer Kameras mit CS-Mount- oder Mini-Objektiven, die Anwender korrespondierend zu fast einem Drittel. C-Mount-Objektive bleiben mit 41 % auf Hersteller- und 59 % auf Anwenderseite momentan noch die meist eingesetzten Objektive. (vergl. Abb. 8)

Als eines der wichtigsten Qualitätskriterien innerhalb eines Bildverarbeitungssystems wurden in der Framos Marktstudie 2016 erstmals die Bekanntheit und der Einsatz von Objektiven abgefragt. Zeiss-Objektive sind wenig überraschend mit 56 % den meisten Anwendern bekannt, gefolgt von Tamron und Fujinon mit je 44 %. Fujinon-Objektive führen mit 44 % jedoch in der Nutzung, gefolgt von Kowa (29 %) und Schneider-Kreuznach (27 %).

 

Schnittstellen für steigende Datenvolumina und Echtzeit-Verarbeitung

Der große Vorteil von eingebetteten Vision Systemen ist die Überwachung und Analyse in Echtzeit. Für eine hohe Präzision werden schnelle Bildraten und deren rasche Übertragung zur sofortigen Verarbeitung benötigt. Sowohl Hersteller als auch Anwender sehen heute und in den nächsten zwei Jahren dafür Bildraten zwischen 25 fps und 60 fps als Fokus an, gleichzeitig haben sich gegenüber dem Vorjahr signifikante Steigerungen im Bereich über 100 fps (+13 % bei den Anwendern) und 200 fps (+ 14 % bei den Herstellern) ergeben. (vergl. Abb. 9, 10 und 11)

In der heutigen Schnittstellennutzung dominiert auf Anwenderseite mit einem Anteil von 33 % GigE Vision, gefolgt von Ethernet mit 15 %. Gegenüber dem letzten Jahr hat sich durch einen geringen Anteil amerikanischer Umfrage-Teilnehmer der damalige hohe Ethernet-Prozentsatz wieder relativiert. Die größten Wachstumsarten sehen sowohl Hersteller als auch Anwender bei USB 3.0 sowie bei GigE Vision mit jeweils einem Plus von 8 % und 10 %. Über 75 % der Hersteller und mit 60 % auch ein Großteil der Anwender gehen davon aus, dass Bandbreiten über 5 GB relevant bzw. sehr relevant für Bildverarbeitungsanwendungen werden. Die Hersteller setzen dabei mit 50 % auf USB 3.1 als wichtigste Schnittstelle für High-Speed-Anwendungen, gefolgt von 38 % für 10 GigE. Umgekehrt sehen die Anwender mit einem Anteil von 44 % 10 GigE als Favorit zur schnellen Übertragung an, für USB 3.1 votieren 37 % der Nutzer. Für die Verarbeitung dieser Bildraten und Bandbreiten sowie die Verbindung der Schnittstellen von Kamera und Prozessoreinheit setzen heute 35 % aller Nutzer Framegrabber ein und sehen dafür innerhalb der nächsten zwei Jahren einen gleichbleibenden Bedarf.

 

Robuste, intelligente Systeme potenzieren Skalierbarkeit und Rentabilität

„Der interessanteste Teil der Marktstudie sind neben den technischen Angaben jedes Jahr die Freitextfelder, in den die Teilnehmer eintragen, welche Faktoren sie für weiteres Wachstum als notwendig ansehen und wo ihrer Meinung nach das größte Potenzial liegt,“ so Dr. Andreas Franz als Schirmherr der Studie. „Die anonymisierten Daten geben ein sehr detailliertes Bild der gefühlten Marktlage und der Anforderungen auf Hersteller- und Anwenderseite.“

Ausschlaggebend für das Wachstum und die steigende Nutzung von Bildverarbeitungstechnologie auf Anwenderseite ist die einfache Systemintegration und unkomplizierte Nutzung auch für Nicht-Programmierer. Nachdem die meisten Anwender ihr System selbst implementieren, wünschen sie sich selbstdenkende, automatisiert arbeitende Vision Systeme, die sich nahtlos in ihre Gesamtsysteme einbetten lassen und individuell adaptierbar sind. Besonderen Wert legen Sie dabei auf Branchenstandards, insbesondere im Bereich Schnittstellen, sowie ein hohes Maß an Datensicherheit innerhalb der vernetzten Systeme. Nachdem Bildverarbeitung als Auge der Automatisierung im Mittelstand angekommen ist, wünschen sich insbesondere die KMU’s die intelligente Nutzung von verbesserten Algorithmen und Bibliotheken zur rentablen Skalierbarkeit ihrer Systeme, gerne als Opensource-Angebot. Bildverarbeitung soll nicht mehr ausschließlich den Produktionsfluss optimieren, sondern muss als Analysetool zur Prozessoptimierung und zur Steigerung des Returns on Investment beitragen.

Basis bleibt nach Aussagen der Anwender die konsequente technische Weiterentwicklung der Sensoren und Kameras im Bereich Auflösung, Geschwindigkeit und Miniaturisierung bei einem sinkenden Preisniveau. Dabei sind die Rufe nach sich weiter verbessernden Qualitätsmerkmalen für präzisere Auswertungen deutlich lauter als die nach „billigen Kameras“. Durch die nahezu flächendeckenden Einsatzmöglichkeiten der visuellen Sensorik in allen Industrien sowie Forschungs- und Überwachungsfeldern ist die Robustheit der Technologie von eminenter Wichtigkeit. Im Außeneinsatz sind breite Temperaturbereiche notwendig, die Industrie 4.0 und Schwerindustrie erfordern Verlässlichkeit bei Druckveränderungen oder Erschütterungen. Sowohl medizinische Anwendungen als auch die Luft- und Raumfahrt verlangen eine hohe Strahlungsresistenz der eingesetzten Komponenten.

 

Augmented Reality und Deep Learning als Strategische Wachstumsfelder

Erstmals seit Start der Marktstudie im Jahr 2007 sehen Anwender eine konkrete Relevanz für den praktischen Einsatz von Augmented Reality-Anwendungen im Bereich User-Guidance und digitalen Support-Angeboten. Vor allem sogenannten „Assistenzsystemen“ im industriellen Wartungsbereich sowie autonomen Verkehrs- und Logistiksystemen wird ein großes Potenzial zugesprochen. Auch die Hersteller stimmen in den Kanon vernetzter Automatisierung, Robotik und Mensch-Maschine-Kollaboration ein. Die Vernetzung multipler Kamerasysteme über mehrere Anlagen in der Cloud sowie die damit einhergehende Datennutzung für umfassende Deep-Learning-Analysen wird ebenfalls erstmals als strategisches Wachstumsfeld für die Bildverarbeitungstechnologie und deren intelligente Nutzung angegeben. Die User wünschen sich dabei Unterstützung vom mitdenkenden System selbst, eine einfache Konfigurierbarkeit und selbständige kognitive Lernprozesse ihrer Maschinen.

Die Ergebnisse der Framos Marktstudie 2016 zeigen, dass Bildverarbeitung längst den Sprung aus der Nische geschafft hat. Anwender und Hersteller sehen breite Einsatzfelder der Technologie über die gesamte digitale Wertschöpfungskette in Industrie, Wissenschaft und Security. Die visuelle Sensorik als intelligentes Auge der Automatisierung lässt Bilder sprechen und Maschinen denken. Insbesondere im Bereich Denken und Steuern wird auf Basis von Deep Learning gerade erst erahnbar, welches immenses Potenzial die Bildverarbeitung als integrierte Technologie und strategisch-analytische Entscheidungsunterstützung für eine erhöhte Prozesseffektivität und Wirtschaftlichkeit noch vor sich hat.

AUCH INTERESSANT: Expert Talk über Trends in der Bildverarbeitung – Bernhard Schroth im Gespräch mit Ute Häußler, Corporate Communications bei Framos.

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