Nachgefragt: 3 Experten zu IBV – Teil 2 Industrielle Bildverarbeitung:Das Auge der Automatisierung

Autor Ines Stotz

Bildverarbeitungssysteme sind in der industriellen Produktion längst unverzichtbar. Zu den Gründen zählen komplexer werdende Produkte, wachsende Anforderungen an die Produktqualität und Effizienz der Fertigung. So prüfen sie beispielsweise Qualität, identifizieren Bauteile, lesen Codes, steuern auch Abläufe und liefern die Daten zur Prozessoptimierung. Damit gilt die IBV nach wie vor als Schlüsseltechnologie für die Automatisierung und ebenso für die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0. Denn wer vernetzt und automatisiert produzieren will, kommt um den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen nicht herum.

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Das ‚Auge der Produktion‘ muss die Anforderungen vernetzter, integrierter Produktionsabläufe flexibel und robust erfüllen.
Das ‚Auge der Produktion‘ muss die Anforderungen vernetzter, integrierter Produktionsabläufe flexibel und robust erfüllen.
(Bild: © Sergey Nivens/Fotolia.com)

Wie soll Ihrer Meinung nach die Industrielle Bildverarbeitung fit für Industrie 4.0 und die Fabrik der Zukunft gemacht werden? Was sind die dringendsten Aufgaben? Wie stellt sich Ihr Unternehmen dafür auf?

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Volker Zipprich-Rasch: Das Wachstum der industriellen Bildverarbeitung in den letzten Jahren zeigt, dass sie sich als Schlüsseltechnologie zur Effizienzsteigerung in der Automatisierungstechnik etabliert hat. Um zukünftig flexible Fertigungsszenarien, wie sie Industrie 4.0 beschreibt, zu ermöglichen, sind neben der Usability eine standardisierte Einbindung und Kommunikation aller beteiligten Komponenten und Systeme essentiell.

Dazu wurde im Rahmen der deutschen Initiative Industrie 4.0 das Maschinen-Kommunikationsprotokoll OPC UA empfohlen. Im Sommer dieses Jahres haben deshalb die VDMA Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung und die OPC Foundation die Entwicklung einer begleitenden Spezifikation gestartet mit dem Ziel einer einheitlichen Schnittstelle von der Bildverarbeitungslösung zum Anwender. Auch Baumer arbeitet aktiv an dieser Spezifikation mit.

Auf Komponentenebene existieren bereits verschiedene standardisierte Protokolle und Schnittstellen, die es zu unterstützen gilt. Für Kameras sind beispielsweise Standards wie GigE Vision, USB3 Vision oder Genicam etabliert und werden von Baumer bereits seit vielen Jahren unterstützt. Auf der Sensorebene, wie den Vision Sensoren, sind Industrial Ethernet Protokolle wichtig, die eine Echtzeitkommunikation mit der Maschinensteuerung erlauben. Passend dazu haben wir auf der Messe Vision unsere neuen Verisens Modelle mit integriertem Industrial Ethernet vorgestellt.

Horst Mattfeldt: Es ist ziemlich sicher zu erwarten, dass es in der Fabrik der Zukunft mehr Augen, sprich Kameras, geben wird. Diese werden deutlich mehr Fertigungsprozesse und Produkte bei ihrer Herstellung überwachen, als es noch heute der Fall ist. Damit einhergehen wird eine stärkere Verschmelzung der Informationstechnik in die industrielle Fertigungstechnik. Vermutlich wird die Bildverarbeitung ein fester Bestandteil der Steuerungstechnik werden, also in dem Sinne, dass die Bildverarbeitung ein Teil der Maschinensteuerung (SPS) werden kann. Vielleicht sieht es von außen dann so aus, dass der Bildverarbeitungsrechner eine SPS beinhaltet. Das Ganze muss aber auf jeden Fall stärker verkoppelt werden, sowohl bei der Erstellung der Prüfaufgaben als auch beim Betrieb. Heute sind diese beiden Aufgaben oftmals zwei Welten, die sich noch nicht ideal verstehen.

Der vermehrte Einsatz von Bildverarbeitung in Industrie 4.0-Umgebungen wird die Verbreitung von Smart Cameras und intelligenten BV-Lösungen fördern, die einfach in Netzwerkumgebungen integrierbar und von jedermann ohne spezielle BV-Kenntnisse konfigurierbar sind. Hier können wir mit einfach handhabbaren, webbasierten Smart Camera Lösungen, wie unserer mv Blue Gemini, zeigen, wie solche Lösungen heute bereits realisierbar sind. So wird Industrie 4.0 lebendig.

Peter Stiefenhöfer: Aus meiner Sicht ist die Bildverarbeitung bereits seit Jahren weitgehend fit für Industrie 4.0! Prinzipiell haben Bildverarbeitungssysteme ja die Aufgabe, fehlerhafte Teile zu erkennen und durch die Kommunikation mit der Anlagensteuerung dafür zu sorgen, dass diese Fehlteile entweder gar nicht verwendet oder nach Möglichkeit nachbearbeitet werden. Dies ist unter bestimmten Voraussetzungen schon heute bis herunter zu Stückzahl 1 möglich. Somit erlaubt Bildverarbeitung bereits aktuell eine flexible Fertigung im Sinne von Industrie 4.0.

Zunehmend sorgt Bildverarbeitung dafür, dass Teile nicht mehr erst ganz am Ende einer Fertigungslinie daraufhin geprüft werden, ob sie den Anforderungen entsprechen, sondern bereits an geeigneten Zwischenstationen: Werden Fehler dadurch bereits in einem früheren Prozessstatus erkannt, so lassen sich die betroffenen Teile ausschleusen, bevor sie weiterverarbeitet oder veredelt werden. Dies spart Energie und eventuell Rohstoffe und erhöht somit die Wirtschaftlichkeit in der Fertigung.

Optimierungspotential besteht sicher noch in der Frage, wie bei schnell wechselnden Produktvarianten und kleinen Stückzahlen die Umstellung der Suchkriterien und Algorithmen automatisch erfolgen und optimiert werden kann.

Bei der Frage der Kommunikation zwischen Bildverarbeitungssystem und der übergeordneten Anlage sind zudem noch nicht alle Schnittstellen zwischen beiden Welten definiert, so dass auch hier noch Aufgaben zu erledigen sind. Durch die Mitarbeit in diversen Gremien und Arbeitsgruppen, die unter anderem vom VDMA angestoßen wurden, spielt Stemmer Imaging in diesem Bereich schon immer eine führende Rolle als Interessensvertreter für die Bildverarbeiter.

Welche technologischen Trends in der IBV identifizieren Sie für die nächsten Jahre?

Volker Zipprich-Rasch: Der Trend zu mehr Performance hinsichtlich höherer Auflösung und Übertragungsgeschwindigkeit hält unverändert an. Unsere neuen 12 und 25 Megapixel Kameras adressieren diesen Trend.

Die zunehmende Verbreitung der CMOS-Sensoren ist ebenfalls ein wichtiges Thema in der Branche. Aktuelle Sensorgenerationen wie Sony Pregius oder ON Semiconductor Python sind hier wegbereitend was Leistung und Qualität betrifft. Ein Grund, weswegen wir sie in unseren neuen Kameraserien wie EX, CX und LX einsetzen.

Einen großen Bedarf sehen wir auch bei Spezialisten, die mit FPGA-Bildvorverarbeitung ihre Anwendung vereinfachen, Systemkosten senken, den Durchsatz steigern oder auch ihr Know-how sichern wollen. Unsere LX Visual Applets Kameras zur applikationsspezifischen Bildvorverarbeitung bieten genau dies – und das ganz einfach ohne VHDL-Programmierung.

Ein anderer Teil der Branche sucht nach Komplettlösungen, die sich so einfach wie möglich integrieren und auf die spezifische Anwendung anpassen lassen. Unsere leistungsstarken Vision Sensoren sind dafür die ideale Antwort, damit Kunden in der Welt der Bildverarbeitung schnell Ergebnisse erzielen.

Und nicht zuletzt findet die Bildverarbeitung natürlich in vielen neuen Applikationen in Form von Embedded-Vision-Lösungen Anwendung. Dazu werden kleine Kameras mit geringer Leistungsaufnahme wie unsere EX- und CX-Modelle benötigt. Mit unserem Baumer GAPI SDK für ARM-basierte Plattformen sind zudem kostenoptimierte Lösungen einfach möglich.

Horst Mattfeldt: Die 3D-Bildverarbeitung wird verstärkt ein wichtiges Thema sein, da in immer mehr Anwendungsbereichen wie Robotik und Logistik die Aufgabenstellungen industrielle und praktikable 3D-Lösungen verlangen. Wenn eine 3D-Kamera wie unsere mv Blue Sirius zusätzlich zu den 3D-Daten auch noch Farbinformationen und Bewegungsvektoren liefert erschließen sich zusätzliche Möglichkeiten die den Anforderungen von morgen Rechnung tragen.

Weiterhin wird die Verbreitung von Smart Cameras sowie von Bildverarbeitungslösungen mit dezentraler Intelligenz zunehmen um die anfallenden Datenmengen zu bewältigen. Ein Ansatz ist Deep Learning, ein Lernverfahren, das mehrere, meist Tausende, Gut- und Schlechtbilder trainiert und anschließend automatisch entscheidet, was gut oder schlecht ist. Der Rechen- und Speicheraufwand ist enorm und für eine intelligente Kamera nicht zu bewältigen. Daher sollen hierfür neuronale Netze eingesetzt werden. Diese werden von Supercomputern errechnet und dann auf die intelligente Kamera gespielt, so der Plan. Das riesige Speichervolumen, welches durch Deep Learning benötigt wird, kann nicht von einer intelligenten Kamera abgedeckt werden. Daher wird Deep Learning oft mit Cloud-Computing in Verbindung gebracht. Große Internet-Anbieter wie Google mit Cloud Vision oder IBM mit Watson oder Microsoft mit seinen Cognitive Services versuchen sich hier im Markt der Bildverarbeitung zu etablieren. Aber wer trägt die immensen Kosten der Supercomputer und wer garantiert die Sicherheit der Daten der Cloud-Lösung, deren Server in den USA stehen?

Matrix Vision verfolgt hier eine andere Strategie mit einem Zwillingskonzept aus intelligenter Kamera mv Blue Gemini und der selbstlernenden, intelligenten Software mv Imact-CS. Und das Beste dabei ist, die Technologie ist jetzt schon erhältlich. Die von der Kamera aufgenommene aktuelle Szene wird automatisch ausgewertet, die dafür passenden Algorithmen und bei Bedarf auch Filter ausgewählt, die von der Software auch gleich automatisch richtig parametrisiert werden. Die Hardware-Leistung ist bei den jetzigen intelligenten Kameras hinreichend vorhandenen. Alles geschieht vor Ort und welche Algorithmen zum Einsatz kommen, ist ersichtlich. Ein weiterer Vorteil: die Software ist webbasiert und kann überall im Netzwerk per Browser und durch den selbstlernenden Ansatz auch von jedem bedient werden.

Peter Stiefenhöfer: Die Bildverarbeitungstechnologie hat inzwischen in allen Bereichen einen sehr hohen Reifegrad erreicht, und dies gilt von der Sensor- und Kameratechnik über die Schnittstellen zur Datenübertragung bis hin zu allen weiteren Komponenten wie Beleuchtungen, Optiken oder der Software. Weiterentwicklungen wird es natürlich auch künftig in vielen Details geben, jedoch nicht mehr in den kurzen zeitlichen Abständen und mit den teilweise relativ großen Leistungssprüngen wie bisher.

Dennoch wird es auch in den kommenden Jahren viele interessante und leistungsstarke Verbesserungen vor allem zum Thema Embedded Vision, in der 3D-Bildverarbeitung sowie im Bereich der Hyperspektral-Bildverarbeitung geben. Gerade bei letztgenannter Technologie hat sich in den letzten Monaten enorm viel getan: Sie unterscheidet sich von Bildverarbeitung im sichtbaren, im UV- oder im IR-Bereich dadurch, dass zur Analyse der Ergebnisse mehr als 100 verschiedene Wellenlängen verwendet werden. Möglich wird dadurch eine Art ‚chemischer Fingerabdruck‘ der untersuchten Materialien und eine Unterscheidung in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften, was mit herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen in bestimmten Fällen nicht möglich ist.

Interessant wird in den nächsten Jahren auch sein, wie die Komponentenhersteller die erforderliche Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit weiter vorantreiben. Sie ist einer der Schlüssel für die schnellere Fertigstellung von Systemen und Anlagen und somit für die weitere Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Bildverarbeitungssystemen.

Die Vision gilt als die weltweit wichtigste Messe für die Bildverarbeitungsbranche. Über welche Themen, Produkte, Systeme und Lösungen konnten sich die Besucher auf Ihrem Stand informieren?

Volker Zipprich-Rasch: Im Bereich der Kameras stellten wir viele neue GigE- und USB3.0-Modelle der CX- und EX-Serie mit den aktuellsten Sensoren der CMOS-Sensorgenerationen Sony Pregius und ON Semiconductor Python vor und erweiterten die Serien damit auf fast 50 Modelle mit bis zu 12 Megapixel Auflösung. Bei der LX-Serie präsentierten wir neue Dual GigE- und Camera-Link-Modelle mit 25 Megapixel Auflösung.

Mit dem integrierten Python 25K Sensor adressieren wir Anwendungen, die gleichzeitig hohe Anforderungen an die Detailgenauigkeit der Bilderfassung und den Durchsatz stellen.

Auch mit am Messestand zu sehen waren die neuen LX VisualApplets 3D-Kameras, die mit einem speziellen Applet für Lasertriangulationsapplikationen ausgestattet sind.

Außerdem konnten die Besucher einen ersten Blick auf unsere neue 10 GigE Kameraserie werfen, die neue Leistungsvorteile für die industrielle Bildverarbeitung bringt.

Bei Verisens haben wir mit den neuen 510er, 700er und 800er Modellen der XF-, XC- und ID-Serie insgesamt 16 neue Vision Sensoren mit zweifacher Rechenleistung und integriertem Industrial Ethernet vorgestellt. So kann die Anzahl der zu prüfenden Objekte oder Merkmalsprüfungen verdoppelt werden, die in der gleichen Zeit geprüft bzw. ausgeführt werden.

Horst Mattfeldt: Wir präsentierten neben Innovationen aus den Bereichen Smart Camera, mv Blue Gemini mit neuem Vermessungstool, und 3D, Perception Camera mv Blue Sirius, eine völlig neue GigE-Kameralösung mit einer intelligenten Datenreduktion. Vor allem Mehrkamera-Anwendungen mit hochauflösenden, schnellen Kameras hatten bisher immer mit den anfallenden Datenmengen und der erforderlichen Rechenleistung zu kämpfen. Unsere Lösung wird dazu beitragen den Aufwand sowohl auf der Hardware- als auch auf der Software-Seite wesentlich zu reduzieren.

Neben diesen technischen Themen kam hinzu dass wir dieses Jahr unser 30jähriges Firmen-Jubiläum zusammen mit unseren Besuchern gefeiert haben. Somit war die Vision 2016 für uns ein besonderes Highlight.

Peter Stiefenhöfer: Wir haben eine ganze Reihe interessanter Neuheiten vorgestellt. Zu den Highlights zählten dabei unter anderem Entwicklungen im Bereich der Hyperspektralsysteme, wo wir gemeinsam mit unseren Partnern Allied Vision, Specim und Perception Park mehrere Optionen für dieses sich stark entwickelnde Technologiethema präsentiert haben. Die neue Generation der Contact Image Sensors von Mitsubishi Electric verspricht spannende neue Einsatzmöglichkeiten und zählt ebenfalls zu unseren wesentlichen Neuvorstellungen. Bei den eigenen Produkten haben wir unter anderem die Leistungsfähigkeit unseres Softwareprodukts Common Vision Blox und hier speziell das Tool CVB Polimago zur Muster- und Posenerkennung besonders hervorgehoben.

Wichtig war uns auch, die häufig noch nicht richtig bekannte strategische Aufstellung von Stemmer Imaging besser darzustellen: Wir sind ja schon lange weit mehr als ‚nur‘ ein Vertriebshaus, sondern selbst auch Hersteller und Servicedienstleister, was unseren Kunden enorm bei der Realisierung ihrer Aufgaben hilft.

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