Machine Vision Schlüsselrolle Licht: Bildverarbeitung optimal einsetzen

In der industriellen Fertigung werden immer mehr Vision-Kameras eingesetzt. Dabei kommt der Beleuchtung eine Schlüsselrolle zu. Nur wenn die Beleuchtung für eine homogene Ausleuchtung sorgt und exakt mit Kamera und Automatisierungssystem synchronisiert ist, lässt sich die Bildverarbeitung optimal einsetzen und die Produktivität steigern.

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B&R Industrie-Elektronik GmbH

Wenn Maschinen und Anlagen mit Vision-Kameras ausgestattet werden, wird eines dabei häufig übersehen: „Die Beleuchtung ist eine kritische Komponente von Machine-Vision-Systemen“, sagt Andreas Waldl, Vision-Experte bei B&R. Die Beleuchtung bestimmt, wie die Kamera das abzubildende Objekt wahrnimmt. Neben Faktoren wie Lichtintensität, Abstrahlrichtung und Wellenlänge spielt eine hochpräzise und intelligente Licht-Steuerung eine entscheidende Rolle.

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In der Realität erfolgt die Steuerung von Bildeinzug, Leuchte und Blitzcontroller jedoch nur über digitale Ein- und Ausgänge. Das liegt daran, dass Hersteller meist kein komplettes Portfolio aus Vision-Sensoren, Leuchten und Blitzcontrollern im Angebot haben. „Wir sprechen im Normalfall von vier unterschiedlichen Herstellern, die die Hardwarekomponenten für eine Vision-Lösung liefern: die Kamera, den Blitzcontroller, die Beleuchtung und nicht zuletzt die Maschinensteuerung“, erklärt Waldl. Eine exakte Synchronisierung dieser vier Elemente ist über digitale Ein- und Ausgänge nicht möglich. Es entstehen zeitliche Verzögerungen und Ungenauigkeiten bei der Informationsübertragung zwischen den unterschiedlichen Systemen. So ist es z. B. nicht möglich, dass Kamera und Blitz auf die Mikrosekunde genau zur gleichen Zeit blitzen und belichten.

Nur exakte Synchronisierung durchbricht Teufelskreis

„Also bleibt dem Ersteller der Applikation nichts Anderes übrig, als die Blitzdauer zu verlängern. So kann er gewährleisten, dass während der Belichtungszeit geblitzt wird“, sagt Waldl. Der gravierende Nachteil: Die Lebensdauer der LEDs sinkt beträchtlich. Um das zu verhindern, kann der Applikationsprogrammierer die Blitzintensität reduzieren, wodurch er jedoch die Belichtungszeit verlängern muss. Bei High-Speed-Applikationen werden die Bilder dann schnell unscharf. Alternativ verstärkt der Programmierer das Sensorsignal. „Das allerdings hat zwei Konsequenzen: Das Bildrauschen steigt und die Qualität des aufgenommenen Bildes sinkt“, erklärt Waldl. „Ein Teufelskreis.“ Bei der Vision-Lösung von B&R sind Maschinensteuerung, Kamera, Blitzcontroller und Licht Bestandteil des gleichen Systems. Bei der Integration wird die Lichtansteuerung im Sub-µs-Bereich mit dem Automatisierungssystem synchronisiert und der Lichtimpuls kann extrem kurz gehalten werden. Zudem ist die Ausleuchtung homogen und reproduzierbar, so der Experte. „Durch die extrem kurze Blitzdauer können wir die LEDs problemlos mit bis zu 300% des Nennstroms betreiben“, beschreibt Waldl. Damit kann eine Lichtintensität erreicht werden, die mit herkömmlichem Dauerlicht nicht realisierbar ist. Das ermöglicht kurze Belichtungszeiten, senkt das Rauschen und eliminiert zugleich nahezu jeglichen Einfluss von Fremdlicht.

Maximale Homogenität mit intelligenten Leuchten

Ein maximale Homogenität lässt sich durch intelligent konstruierte Leuchten erreichen. Bei B&R versieht man deshalb jede einzelne LED mit einer Linse, die eine gleichmäßige Abstrahlung des Lichtes garantiert. Die Leuchten werden bereits im Werk abgeglichen und benötigen somit bei einem Wechsel im Feld oder im Serienmaschinenbau keinen manuellen Abgleich mehr. Auch die LED-typische Veränderung der Lichtintensität wird automatisch von den Leuchten kompensiert. „Es reicht jedoch nicht, wenn eine Vision-Lösung nur einen speziellen Anwendungsfall gut abdeckt“, betont Waldl. In den Zeiten von Industrie 4.0 werden Produktwechsel im laufenden Betrieb immer häufiger. Mit der vollständig integrierten Vision-Lösung können Parameter in Rezepten gespeichert und wieder abgerufen werden. Der Anwender kann alle Einstellungen per Software jederzeit ändern. Dazu gehören die Lichtfarbe genauso wie die Blitzdauer und -länge, die Belichtungszeit und der Abstrahlwinkel der Balkenleuchten. Dadurch lässt sich sogar mit den gleichen Leuchten eine Hell- und eine Dunkelfeldbeleuchtung nur durch Anpassen der Parameter realisieren. „Viele Maschinenbauer unterschätzen die Möglichkeiten, die sich durch unterschiedliche Blitzfarben ergeben“, sagt Waldl und ergänzt, dass klassische Programmierarbeiten für die Einrichtung einer Vision-Lösung dank vorkonfigurierter Software-Bausteine nicht mehr nötig sei. Der Datenaustausch mit anderen Maschinenfunktionen und -bestandteilen, wie Servoantrieben, User- und Rezeptmanagement sowie Alarmsystem erfolgt durch einfache Verknüpfung der Funktionen. Da die Vision-Komponenten integraler Bestandteil des Maschinennetzwerkes sind, stehen sämtliche Diagnoseinformationen in Echtzeit zur Verfügung.

Das Beleuchtungsportfolio von B&R umfasst Backlights, Balkenleuchten und Ringleuchten in unterschiedlichen Ausführungen. Zudem sind Kameras mit bis zu 64 integrierten LEDs erhältlich. Jede Leuchte verfügt über einen integrierten Blitzcontroller und lässt sich mit bis zu vier unterschiedlichen LED-Farben ausstatten. Die Auswahl reicht von Weiß über mehrere sichtbare Farben bis hin zu Infrarot und Ultraviolett.

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