Harte Echtzeit-Anforderungen in Sachen industrieller Bildverarbeitung funktionierten lange nur auf Hardware-Basis - beispielsweise durch digitale Signalprozessoren (DSP) und feldprogrammierbare Gate Arrays (FPGA). Dank Befehlssatz-Erweiterungen wie SSE, AVX und Multithreading sind mittlerweile aber auch PC-Prozessoren auf einem entsprechend hohen Leistungsstand, um harte Echtzeit-Eigenschaften für die industrielle Bildverarbeitung umzusetzen.

undefined

Die ‚Realtime Suite‘ ermöglicht die Entwicklung von Echtzeit-Anwendungen sowie deren Hardware-nahe Implementierung an externe Systeme. Neben dem Bereich Bildverarbeitung sind dies vor allem Automatisierungs- sowie Kommunikationsprotokolle.

© Kithara Software

Voraussetzung für tatsächliche Echtzeit-Eigenschaften bei PC-basierten Ansätzen ist die Ausführung des Anwendungscodes auf der Kernel-Ebene. Das präemptive Multitasking-System der 'Realtime Suite' von Kithara beispielsweise sorgt hier dafür, dass die wichtigsten Tasks prioritätsgesteuert vorrangig ausgeführt werden. Zudem lassen sich Tasks auf dedizierte CPU-Kerne verteilen, um Echtzeit-Eigenschaften weiter zu verbessern, indem der Einfluss von Windows umgangen wird, ohne aber auf dessen Benutzeroberfläche zu verzichten. Die Windows-Erweiterung ist funktionstechnisch einem vollwertigen Echtzeit-Betriebssystem ebenbürtig. Um dabei nativen Maschinencode erzeugen zu können, kommen Programmier­sprachen wie C/C++ und Delphi zum Einsatz.

Die Anbindung relevanter Schnittstellen sowie externer Geräte und Systeme an die Echtzeit-Umgebung erfolgt über entsprechende Funktionsmodule. Im Vordergrund steht dabei die Erfüllung zeitkritischer Anforderungen durch streng festgelegte Reaktionszeiten.

Das passende Kamera-­Interface

Am Anfang steht bei der Bildverarbeitung immer die Kamera und das entsprechende Interface. Mit der 'Realtime Suite' werden eigens entwickelte und optimierte Netzwerk- und Kommunikationstreiber verwendet, die die Grundlage für das Erreichen von Echtzeit-Bild-Erfassung mit den entsprechenden Kamera-Schnittstellen darstellen. So wird über leistungsfähige Ethernet-Treiber eine Echtzeit-Anbindung an GigE-Vision-Kameras hergestellt oder per XHCI-Treiber an Kameras mit dem USB3-Vision-Standard. So ist es möglich, Kameras sämtlicher Hersteller mit dem Echtzeit-System zu verwenden und untereinander flexibel auszutauschen. Damit die Kommunikation zwischen Kamera und Echtzeit-System reibungslos verläuft, stehen entsprechend große Pufferspeicher zur Verfügung, um dem Ausfall von Datenpaketen vorzubeugen. Insbesondere für den Bereich Streaming sind Buffergröße und -anzahl je nach Anforderung anpassbar.

Sofortige Verarbeitung

Machine Vision hört nicht bei der Bild-Erfassung auf. Die eigentliche Bildver-arbeitung findet über spezielle Biblio-theken statt, die mit einer Vielzahl vorgefertigter Algorithmen die erfassten Bilddaten auswerten sowie weiterverarbeiten. Um den gesamten Vision-Prozess in einem einzigen Echtzeit-Kontext auszuführen, wird die entsprechende Bildverarbeitungsbibliothek durch das Echtzeit-System ebenfalls im Kernel-Modus geladen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Reaktionszeiten zwischen Bild-Erfassung und -verarbeitung in einem minimalen, festgelegten Zeitraum bleiben. Die Realtime Suite unterstützt die freie Bibliothek 'OpenCV' sowie das Tool 'Halcon' von MVTec.

Als Bindeglied zwischen Echtzeit-Bildverarbeitung und Steuerungsreaktion können Entwickler die Bildverarbeitungs- sowie die Maschinenlogik in ihrem Anwendungscode unmittelbar zusammenführen. Unter Verwendung des Ethercat-Protokolls lassen sich Tausende I/O-Signale mit Frequenzen von 1 kHz oder höher er­fassen, auswerten und weiterverarbeiten. Dabei ist die I/O-Topologie flexibel skalierbar. Im Ergebnis lassen sich so über eine einzige Entwicklungsumgebung eingehende verarbeitete Bilddaten in komplexe Sequenzen umwandeln, mit denen Maschinen in Echtzeit angesteuert werden können.

Ein Anwendungsbeispiel

Der ‚Metrix Analytic Sorter‘ von VMEK nutzt zur Qualitätskontrolle ein Wasserfall-Verfahren: Das Schüttgut wird über eine Trichtervorrichtung per Vibration gleichmäßig verteilt und jedes einzelne Teil noch im Fallen von zwei Kameras erfasst.

© Kithara Software

Wie wichtig Echtzeit für den gesamten bildunterstützten Automatisierungsprozess ist, verdeutlicht die Funktionsweise einer Sortiermaschine des US-Unternehmens VMEK mit integrierten Funktionen der Realtime Suite. Hierbei handelt es sich um eine Maschinenlösung zum Klassieren und Sortieren von Schüttgut wie zum ­Beispiel landwirtschaftlicher Erzeugnisse oder großer Mengen kleiner Werk­stücke. Zwei Kameras erfassen das zu testende Material im Wasserfall-Verfahren aus unterschiedlichen Winkeln. Dabei wird jedes einzelne Teil bei einer Fallgeschwindigkeit von circa 4 bis 5 m/s auf individuelle Kriterien wie Größe, Farbe, Unreinheiten oder das durch volumetrische Berechnungen ermittelte Gewicht untersucht und den gesetzten Ausschlussparametern entsprechend per Luftstoß aussortiert. Das Echtzeit­system sorgt dafür, dass die von den GigE-Vision-Kameras empfangenen Bilddaten innerhalb weniger Mikrosekunden an die Halcon-gestützte Bildverarbeitung gelangen und die aus­gewerteten Daten weiter im Echtzeit-Kontext den Luftstoß auslösen. Voraussetzung für einen präzisen Sortiervorgang ist der geringe Abstand von nur wenigen Zentimetern zwischen Kamera und Luftausstoß. Ohne 'harte' Echtzeit-Eigenschaften wäre dies nicht umsetzbar.

Autoren:
Martin Ebert ist Mitarbeiter für Marketing & PR bei Kithara Software in Berlin;
Uwe Jesgarz ist Geschäftsführer von Kithara Software in Berlin.