Warum Embedded-Vision-Systeme nahezu jede BV-Aufgabe mit hoher Geschwindigkeit ausführen können

Embedded Vision bietet für OEMs Vorteile wie kürzere Verarbeitungszyklen, Platz- und Gewichteinsparungen und Flexibilität bei der Integration in ihre Applikationen. Kameras und 3D-Profilsensoren mit Megapixel-Bildsensoren und leistungsstarken SoC-Modulen führen die Mehrzahl aller Bildverarbeitungsaufgaben autonom, das heißt ohne zusätzlichen PC, aus.

Embedded Vision ermöglicht die effiziente und schlanke Ausführung von Inspektions- und Messaufgaben durch die direkte Verarbeitung von Bildaufnahmen in der Kamera –  ohne externen Computer. Die intelligenten Kameras können direkt in Maschinen, Anlagen und Robotiksysteme integriert werden, wo sie auf Grundlage der gewonnenen Bildverarbeitungsresultate Steuerbefehle ausgeben oder mit der Anlagensteuerung kommunizieren. Es entsteht kein Zeitverlust für die Kommunikation mit einem separaten Bildverarbeitungsrechner. Zudem können so diverse Fehlerquellen ausgeschlossen werden. Die Zahl der Komponenten reduziert sich deutlich – und damit der Aufwand für Installation und Wartung. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Tauglichkeit für herausfordernde industrielle Umgebungen, einschließlich Outdoor-Installationen. OEM-Platinenkameras mit geringem Verbrauch geben entsprechend geringe Abwärme ab, sodass keine Lüfter erforderlich sind. Verschiedene Schutzgehäuse und eine flexible Integration in die Maschinen- oder Anlagenverkleidung sind möglich. Bildsensoren mit unterschiedlichen Auflösungen und leistungsstarke Prozessoren kombiniert mit frei programmierbarem FPGA ermöglichen große Leistungsgewinne. Damit können Embedded-Vision-Systeme nahezu jede Bildverarbeitungsaufgabe auch mit hohen Geschwindigkeiten ausführen.
Michael Engel, Geschäftsführer von Vision Components, entwickelte das erste Embedded-Vision-System, das im Jahr 1995 dem Markt vorgestellt wurde. Was den Ausschlag für eine Embedded-Lösung gegenüber einem herkömmlichen Sensor mit angeschlossenem PC gibt, entscheidet sich von Fall zu Fall. Platzeinsparungen können eine Rolle spielen, aber auch höhere Geschwindigkeiten durch direkte Kommunikation mit einer Maschinensteuerung, einfachere Wartung und höhere Verfügbarkeit durch weniger Zubehör, Tauglichkeit für entlegene Installationen durch autarke Funktion und niedrigen Verbrauch und – was im OEM-Seriengeschäft nicht zu vernachlässigen ist – ein attraktives Design.

FPGA steigert Leistung um bis zu 20 Prozent

Die Smart-Kamera von 1995 enthielt einen digitalen Signalprozessor (DSP) mit 32 MHz Taktfrequenz.

Während Modelle von damals noch heute zuverlässig ihren Dienst tun und ihre Rechenpower für viele, auch anspruchsvolle Bildverarbeitungsaufgaben völlig ausreicht, ermöglichen die Entwicklungen im Mikrochipdesign in jüngerer Zeit deutliche Leistungsfortschritte, und zwar nicht nur durch schnellere ARM-Prozessoren, sondern auch durch die zusätzliche Integration programmierbarer Schaltkreise (FPGAs), die sich mit einer Hardware-Beschreibungssprache konfigurieren lassen. Vision Components verwendet in allen Embedded-Systemen der aktuellen Baureihe VC Z das Zynq-Modul von Xilinx, ein System-on-Chip (SoC), das zusätzlich zu einem ARM-Dual-Core-Cortex-A9-Prozessor mit 2 x 866 MHz ein FPGA enthält. Diese Ausstattung mit heterogenen Technologien ermöglicht die beschleunigte Ausführung aufwändiger Auswertungen. Das FPGA kann sehr komplexe Berechnungen ausführen oder auch sehr große Datenvolumen ohne Zeitverlust verarbeiten. Dadurch lässt sich die Leistung von Bildverarbeitungssystemen je nach Anwendungsfall bis zu 20-fach steigern. Der Hersteller bietet für die ideale Umsetzung der jeweiligen Applikation einen FPGA-Programmierservice für Serienanwendungen an.
Die VC-Z-Baureihe bietet Embedded-Vision-Systeme in verschiedenen kompakten Konfigurationen. Die Platinenkamera mit Onboard-Sensor hat ein Format von 40 x 65 mm. Zudem sind Ausführungen mit einem oder zwei abgesetzten Sensorköpfen erhältlich, die eine noch größere Flexibilität bei der Integration in verschiedene Applikationen bieten. VC-Z-Gehäusekameras gibt es ab 80 x 45 x 20 mm und wahlweise mit IP67-Schutz in einer etwas größeren Ausführung, die auch eine optionale Beleuchtung integrieren kann. Eine Auswahl von CMOS-Sensoren mit unterschiedlichen Auflösungen gewährleistet, dass für jeden Bedarf eine passende Kamera zur Verfügung steht, zum Beispiel der IMX273-Sensor aus der Pregius-Baureihe von Sony mit einer Auflösung von 1,6 Megapixel (1.440 x 1.080 px).

Neu auf der Vision: Smarter 3D-Laserprofilsensor

Auf der Vision 2018 zeigt Vision Components die jüngste Produktneuheit mit integrierter Bildverarbeitungsintelligenz: 3D-Profilsensoren der Baureihe VCnano3D-Z. Als einzige derzeit auf dem Markt verfügbare Laserprofilscanner – laut Hersteller – können die Embedded-Systeme mit Zynq-SoC zusätzlich zum 3D-Profil auch das Grauwertbild auswerten. Sie können dadurch zum Beispiel 2D-Codes lesen und Prüfobjekte abhängig davon auf unterschiedliche 3D-Merkmale hin untersuchen. Die 3D-Profilerfassung folgt dem bewährten Prinzip der Lasertriangulation. Der Hersteller hat das integrierte FPGA für die Auswertung der 3D-Punktewolke programmiert. Der leistungsstarke ARM-Prozessor ist daher frei für anwendungsspezifische Bildverarbeitungsaufgaben wie die 2D-Bildanalyse oder andere Folgeaufgaben nach der 3D-Auswertung.
Die neue Modellreihe enthält derzeit Profilsensoren für Arbeitsabstände von etwa 60 mm bis über 3 m. CMOS-Bildsensoren der aktuellen Generation gewährleisten eine hohe Bildqualität bei minimalem Rauschen. Die Laserscanner arbeiten mit Scanraten bis 2 kHz. Sie haben eine 1-Gbit-Ethernet-Schnittstelle und sind optimal für Echtzeitanwendungen geeignet, beispielsweise für die Inline-Kontrolle von Schweiß- und Kleberaupenprozessen.
Im Lasermodul wird ein blauer Laser (450 nm) verwendet, der in Klasse 2 eingestuft ist. Durch die „Ambient Light Suppression Technology“ kann das System bei Umgebungslichtstärken von bis zu 100.000 Lux eingesetzt werden. Diese neuartige Technologie von Vision Components sorgt für optimale Sichtbarkeit auch auf anspruchsvollen Oberflächen. Zudem eignet sich der blaue Laser auch für Lebensmittelanwendungen wie die Volumenmessung in Schneid- und Portionieranlagen. Die Baureihe bietet diverse Modelle und ein breites Spektrum möglicher Auflösungen ab rund 40 µm auf der X-Achse und 10 µm auf der Z-Achse. Sichtfeldbreiten von über 2.000 mm sind möglich.

Software für schnelle Applikationsentwicklung

Eine der großen Fragen, die Standbesucher auf der Vision stellen, ist, wie sie mit den Embedded-Systemen ihre eigenen Bildverarbeitungsaufgaben umsetzen können. Vision Components unterstützt Programmierer bei der Applikationsentwicklung durch vorprogrammierte Software-Funktionen: Die VC LibQ ist eine umfangreiche Software-Bibliothek für VC-Z-Modelle mit über 300 eigenen Funktionen für alle gängigen Bildverarbeitungsaufgaben. Zudem enthält sie auch die gesamte Ausstattung der Halcon-Software von MVTec. Sämtliche Funktionen sind gründlich praxiserprobt: Beide Hersteller sind mit ihren Software-Produkten bereits seit über 20 Jahren erfolgreich im Markt vertreten. Vision Components hat die Algorithmen speziell auf die VC-Z-Embedded-Systeme zugeschnitten, um ein optimales Zusammenspiel von Hardware und Software zu gewährleisten.
Das VC-LibQ-Gesamtpaket deckt verschiedene Anwendungen ab, beispielsweise Schriftzeichenerkennung und -verifizierung (OCR/OCV), 3D-Bildverarbeitung, Messen und Prüfen, Blob-Analyse, Farbbildverarbeitung, Hyperspectral Imaging, Morphologie und Bewegungsanalyse. Für spezielle Anwendungsfälle können OEMs kostensparend auch eines der für ihr Arbeitsfeld zugeschnittenen Pakete erwerben: Codelesen, Optische Schrifterkennung (OCR), Mustererkennung oder das Kombipaket Codelesen + OCR. Diese Funktionen erleichtern Entwicklern die Arbeit und sparen viel Zeit bei der Führung zur Marktreife.

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Vision Components GmbH
Ottostr. 2
76275 Ettlingen
Germany
Telefon: +49 7243 2167 0
Telefax: +49 7243 216711

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