Qualitätskontrolle

Andreas Mühlbauer,

Die neue Dimension der Bildverarbeitung

Automatisierung bietet zahlreiche Vorteile, stellt gleichzeitig jedoch hohe Anforderungen an die integrierte Bildverarbeitung. Daher bleiben Machine-Vision-Lösungen bisher häufig noch hinter den Erwartungen zurück. Der Einsatz von 3D-Lichtfeld-Technologie kann dazu beitragen, anspruchsvolle Aufgaben schnell und zuverlässig zu lösen. Die Kombination mit moderner Software hilft, vorhandenes Know-how gezielt zu nutzen und zu erweitern.

Kompakte 3D-Lichtfeldkamera im industriellen Einsatz. © HD Vision Systems

Ganz klar: Die zunehmende Automatisierung und Roboterisierung leisten einen wichtigen Beitrag, um Mitarbeitende von körperlich anstrengenden und repetitiven Aufgaben zu entlasten. Stattdessen übernehmen die Menschen Überwachung, Führung und Wartung von Robotern und Maschinen. Diese anspruchsvolleren und ansprechenderen Tätigkeiten sind jedoch nicht die einzige Folge – Unternehmen profitieren neben sinkenden Produktionskosten, geringeren Stillständen und steigender Qualität auch von der zusätzlichen Zeit für Innovation und Weiterentwicklung.

Leider entspricht die Realität häufig noch nicht diesen Erwartungen. Denn damit Roboter zuverlässig arbeiten können, benötigen sie nicht nur eine exakt definierte Aufgabe, die richtige Größe, Leistungskraft oder einen passenden Greifer, sondern sie müssen vor allem auch die jeweiligen Teile erkennen – eine Kernaufgabe der industriellen Bildverarbeitung. Das richtige Identifizieren der vorgefundenen Situation stellt diese Systeme in der Praxis jedoch regelmäßig vor immense Herausforderungen. Häufig kommen daher komplexe Beleuchtungs- und Kameraaufbauten zum Einsatz, individuell maßgefertigt für eine spezifische Aufgabe. Bisher benötigte es immer jede Menge Erfahrung und Spezialwissen aus diesem Bereich. Und auch dann trat der Erfolg nicht immer sofort ein.

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Wer bereits einige Bildverarbeitungsprojekte umgesetzt hat, weiß: Sensor- und Softwarebeschränkungen gerade bei komplexen Werkstücken lassen sich nur schwer umgehen. In der Folge teilt man die Aufgabe in überschaubare Teilbereiche für gleich mehrere Kamera-Beleuchtungspaare auf. Nicht selten ergeben sich daraus umfangreiche Aufbauten. Dass diese Bildverarbeitungssysteme teuer sind, steht außer Frage. Dies gilt insbesondere, wenn es sich um komplexe Objekte, etwa mit metallischem Glanz, handelt, die präzise austarierte Aufnahmebedingungen benötigen.

Erschwerend kommt hinzu, dass diese umfangreichen Konstruktionen nicht nur Expertenwissen zur Konstruktion erfordern, sondern diese auch für Umsetzung und Handhabung im Unternehmensalltag benötigen. Einfache und intuitive Benutzung durch Werker gibt es in der Regel nicht. Gleiches gilt, wenn Unternehmen ihre Bildverarbeitungs- systeme auf neue Teile anpassen oder gar um andere Aufgaben erweitern möchten. Aufgrund der individuellen Konzeption ist es häufig schlicht unmöglich, diese Systeme weiter zu verwenden. Das schmälert die Planungssicherheit beträchtlich. Bei schrumpfenden Losgrößen und häufigeren Produkt-Iterationen eine ernstzunehmende Herausforderung. Entsprechend kritisch betrachten Verantwortliche in Unternehmen Automatisierungslösungen auf Basis industrieller Bildverarbeitung.

Neue Bilderfassungs-Technologie vereinfacht den Prozess

Das Lichtfeld eröffnet der Automatisierung hier eine neue Dimension: Kompakte 3D-Sensoren auf Basis eines Multi-Kamera-Arrays sorgen durch die einzigartige Technologie für robuste Bildaufnahmen. Lichtfeld-Sensoren bringen eine ganze Reihe an Vorteilen mit sich: weniger Verdeckungen, Reduktion von Glanz und Reflektionen, beispielsweise auf Metall, Kunststoff und Faserverbundwerkstoffen, präzise und dichte Punktwolken durch das Multi-Kamera-Array, kompakt und leicht, schnelle Aufnahme – keine Mehrfachbelichtung notwendig.

Das alles gelingt dem Lichtfeld über die sogenannte plenoptische Funktion P(θ, ζ, λ, t, Vx, Vy, Vz). Sie enthält neben den durch zwei Winkel (θ und ζ) beschriebenen Lichtstrahl, der Wellenlänge für Farbaufnahmen λ, den zeitlichen Verlauf t auch die dazugehörigen 3D-Koordinaten Vx, Vy und Vder Kameraposition. Mithilfe dieser Funktion lässt sich jede beliebige Ansicht zu jedem Zeitpunkt von jeder Position und bei jeder beliebigen Wellenlänge reproduzieren. Damit bildet die plenoptische Funktion die Grundlage für alle weiteren Berechnungen zum Einsatz der Lichtfeldtechnologie – zum Beispiel in der industriellen Bildverarbeitung. Mithilfe von Multi-Kamera-Arrays zur Aufnahme und Abstraktion mehrerer Bildwinkel lässt sich diese Theorie industrietauglich einsetzen.

Software muss Hand in Hand mit der Hardware gehen

In Kombination mit performanter Software entstehen so Machine-Vision-Lösungen einer neuen Generation: An die Stelle komplexer, angepasster Aufbauten mit unübersichtlicher Bedienung treten Systeme, die schnell, einfach und intuitiv nutzbar sind. Die solide Bilderkennung mittels Lichtfeld ermöglicht es, mit einem zum Sensor zusammengefassten, kompakten Multi-Kamera-Array verschiedene Aufgaben zu lösen. Dazu gehören – je nach Software-Konfiguration – etwa Bin Picking und Object Handling, 3D-Scanning oder auch KI-Qualitätsinspektion. Diese Systeme lassen sich gleichermaßen einfach anpassen und erweitern. Neue Werkstücke erfordern außerdem kein Expertenwissen mehr, sondern lassen sich in kürzester Zeit selbst implementieren.

Auf diese Weise leistet die Lichtfeld-basierte Bildverarbeitung zusammen mit moderner, nutzerfreundlicher Software einen wertvollen Beitrag, um industrielle Automatisierung zukünftig noch erfolgreicher zu gestalten. Durch den intuitiven Self-Serving-Ansatz wandelt sich die Rolle der Mitarbeiter von einer ausführenden hin zu einer planerisch-überwachenden. So werden sie im Handumdrehen zu Experten für anstehende Erweiterungen und Anpassungen.

Mareike Schindler-Kotscha, Head of Marketing, HD Vision Systems

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