Berührungslose Inspektionsverfahren

Industrielle Bildverarbeitung für Inline-Detektion: Schnell und robust

Die optische Messtechnik hat heute eine Messgenauigkeit und Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht, die es ermöglicht, Inspektionsverfahren in die Produktion zu integrieren. Hierfür kommen fast ausschließlich berührungslose Verfahren zum Einsatz, die hohe Anforderungen an Robustheit und Schnelligkeit erfüllen müssen.

Bei optischen 3D-Vermessungsaufgaben mittels Lasertriangulationsverfahren spielt die räumliche und zeitliche Auflösung des Sensors die Hauptrolle für die Messgenauigkeit. Für viele Anwendungen ist daher die Verfügbarkeit schneller Kameras eine der wichtigsten Voraussetzungen. Die industrielle Bildverarbeitung ist mit ihren Spezifikationen an Grenzen der schon heute verfügbaren Sensoren angelangt. Die zukünftigen neuen Standards CoaXPress, Camera Link HS und 10GigE werden die Geschwindigkeitsgrenzen erneut signifikant erweitern und neue Anwendungsfelder ermöglichen. Für die Übergangszeit ist Kreativität gefragt, um schon heute neue Geschwindigkeitsklassen zugänglich zu machen.

Für Online-Prozesse in Echtzeit
VDS Vosskühler (seit 1.1.2011 eine Tochter der Allied Vision Technology AG) hat für seine CMC-4000 Kameraserie eine Implementierung gewählt, der zu dem etablierten Bildverarbeitungsstandard Camera Link weiterhin kompatibel bleibt, ihn jedoch in seiner Bandbreite verdoppelt.
Die CMC-4000 ist eine CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera, die bei einer Auflösung von 2320 Pixel Sensorbreite und 1726 Pixel Sensorhöhe bis zu 386 Vollbilder pro Sekunde aufnehmen kann. Die Daten werden über vier MDR-Stecker als zweifache Camera Link Full Konfiguration mit jeweils 10 Taps übertragen. Durch den elektronischen Full-Frame-Shutter eignet sich diese Kamera besonders für die Beobachtung schneller Bewegungsvorgänge.

Die Bilddatenmenge des Sensors von rund 1,5 GBytes pro Sekunde muss nicht nur erfasst, sondern für Online-Prozesse auch in Echtzeit weiterverarbeitet werden. Hierzu kommen zwei microEnable IV VD4-CL von Silicon Software zum Einsatz. Es sind programmierbare Camera Link Framegrabber, die einerseits die Aufnahmefunktion übernehmen, andererseits aber auch die Datenverarbeitung in Echtzeit auf der FPGA-Hardware durchführen.

Durch die Implementierung der „DMA900 Technologie" ist diese Framegrabberserie imstande, bis zu 900 Mbytes/sek. über eine PCIe x4 Schnittstelle in das RAM des Host-PC zu übertragen. Da die CMC-4000 im Hochgeschwindigkeitsmodus zwei getrennte Ausgabekanäle für die Sensordaten verwendet, wird pro Bildhälfte je ein Framegrabber adressiert. Da bei einer 3D-Vermessung über das Triangulationsverfahren, die Messpunkte spaltenweise aus Laserprofilen ermittelt werden, ergibt sich durch den Einsatz von zwei Framegrabbern kein Nachteil.

Lasertriangulation für 3D-Vermessung
Für die 3D-Vermessungsanwendung gibt die Sensorbreite das horizontale Auflösungsvermögen entlang der Profillinie vor. Mit der Einstellung für die Sensorhöhe wird das Auflösungsvermögen für die Profilhöhe bestimmt, die die Tiefeninformation in z-Achse widerspiegelt. Über die geometrische Abhängigkeit zwischen Messobjekt, Kamera- und Laserwinkel, wird die Maximalauslenkung der Laserstrahlprojektion eingestellt. Diese Projektion bestimmt den vertikalen Nutzbereich des Sensors. Wird die maximal zur Verfügung stehende Bandbreite genutzt, ergibt sich bei Verringerung der Einstellungen für die Sensorhöhe automatisch eine höhere Bildaufnahmefrequenz, die letztlich wiederum die Abtastauflösung in Scan-Richtung erhöht. Beispielsweise wird mit der CMC-4000 bei einer horizontalen Auflösung von 2320 Pixel und einer vertikalen Abtastung von 128 Pixeln eine Scan-Geschwindigkeit von nahezu 5200 Profilen pro Sekunde erreicht. Diese zeitliche Auflösung ergibt unter Berücksichtigung der Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjektes, die horizontale Samplingrate.

Peak Detector auf FPGA des Framegrabbers
Für die Ermittlung der Messpunkte aus der Profillinie, wurden auf dem Framegrabber unterschiedliche Verfahren implementiert. Gegenüber einfachen Algorithmen wie dem Schwellwertverfahren oder der Ermittlung aus Maximalwerten, wurde hierbei das Schwerpunktsverfahren bzw. das Peak Detector Verfahren der Firma Aqsense eingesetzt. Beide Verfahren erreichen eine hohe Genauigkeit auch bei schwierigen Lichtverhältnissen und Materialoberflächen. Das Peak Detector Verfahren hebt sich darüber hinaus durch eine höhere Robustheit und geringere Rauschempfindlichkeit ab. Dieses betrifft sowohl das Sensorrauschen, Laserstreuung als auch oberflächenabhängiges Rauschen. Damit verhält sich das Verfahren auch bei problematischen Materialien, wie transluzenten oder reflektierenden Oberflächen algorithmisch stabiler. Selbst bei Einsatz auf Material mit gleicher Farbe des Lasers, reagiert die Erkennung und Zuordnung deutlich sensibler. Durch die Implementierung des Peak Detectors auf dem internen FPGA des Framegrabbers läuft die komplette Messpunktermittlung unter Echtzeitbedingungen auf der Hardware. Die hochparallele Implementierung erreicht die maximale Geschwindigkeit für Full Configuration nach der Camera Link Spezifikation von 850 MB/s. Gleichzeitig wird eine maximale, theoretische Genauigkeit von 1/64 Pixel erreicht.

Hierbei wird die Laserlinie über eine Bildentrauschung und hochqualitative Binarisierung vorverarbeitet. Die Bestimmung der möglichst exakten Koordinate des Messpunktes findet über die Auswertung jeder Bildspalte statt. Hierbei müssen Reflektionen und nichtrelevante Bildbereiche unterdrückt werden. Zur Bestimmung der Koordinate hat sich das Peak Detector Verfahren in Praxistests als eine sehr stabile und für unterschiedliche Einsatzzwecke und Umgebungssituationen robuste Algorithmik herausgestellt. Zum Host-PC werden nur noch die Koordinaten als 1D-Bildinformation beider Sensorhälften übertragen.

Punktwolke eines 3D-Objekts
Über die Vermessungssoftware SAL3D der Firma Aqsense wird aus der Punktwolke ein 3D-Objekt modelliert. Obwohl die nachfolgende Bearbeitung ausschließlich auf der CPU stattfindet, müssen alle Schritte im selben Zeittakt bearbeitet werden. Hierfür stehen u.a. Module zur Verfügung, die mehrere Punktwolken in ein Objekt zusammenfügen (merging), Messobjekte mit CAD-Daten abgleichen (matching), Volumendaten berechnen (slicing) oder die Daten für Integratorensoftware aufbereiten.

Eine Vermessungsanwendung mit der CMC4000 wird auf der diesjährigen Laser World of Photonics vom 23.-26. Mai in München auf dem Stand der Firma VDS Vosskühler (Halle B2, Stand 102) gezeigt.

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