Bildverarbeitungssysteme in industriellen Applikationen dienen dazu, Objekte zu identifizieren, zu zählen und zu vermessen oder Produkt-Codes und Beschriftungen auszulesen. Auch zur Überprüfung der Produktgüte etwa von Bahnware werden sie herangezogen, um deren Qualität im Produktionsprozess zu kontrollieren und zu doku­mentieren. Hierzu werden – vereinfacht gesagt – eine oder mehrere Matrix- beziehungsweise Zeilenkameras montiert und an einen Computer angeschlossen, der die Videodaten analysiert.

Eine passende Lösung von der Stange zu finden, ist schwierig – die optimale Auslegung eines Bildverarbeitungssystems erfordert immer eine individuelle Betrachtung. Denn selbst bei identischer Aufgabenstellung können sich die Rahmenbedingungen in Applikationen erheblich unterscheiden: sei es hinsichtlich der Geschwindigkeit, mit der geprüft werden soll, sei es hinsichtlich veränderter Farbparameter, Oberflächenstrukturen oder Konturen eines zu prüfenden Teiles, oder sei es schlicht hinsichtlich des für den Systemeinbau zur Verfügung stehenden Platzes.

Ob Prozessorboards, Netzwerk-Controller, XMC-Carrier oder HDD/SSD-Carrier: Alle Komponenten für CompactPCI Serial sind modular aufgebaut und auch als komplett vorintegrierte Systemkonfigurationen lieferbar.

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Ergo müssen sämtliche Komponenten eines BV-Systems sehr sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Dies ist insofern wichtig, als sicherzustellen ist, dass Systeme für identische Aufgaben oder Ersatzbeschaffungen reproduzierbar sind. Zudem müssen Fehlerquellen durch unterschiedliche Generationen bei den Bauelementen oder Softwarekomponenten ausgeschlossen werden. Langzeitstabile Systemkonfigurationen sind gefragt. Dies lässt sich mit industrietauglichen Embedded-Computer-Plattformen umsetzen, die auf Langzeitverfügbarkeit ausgelegt sind und deren Softwarestände eingefroren werden können, um stets identische Konfigurationen zu erhalten. Neben der Auswahl solcher Komponenten sind die konkreten Einstellungen der Bildverarbeitungssoftware, das passend konfigurierte Betriebssystem und die am besten passenden Treiber mit den korrekten Einstellungen wichtig für eine optimale Konfiguration.

Stolperfalle Systemkonfiguration

Wollten Endanwender oder Lösungsanbieter solche Vision-Systeme selbst zusammenstellen, müssten sie Experten für diese Aufgabenstellungen werden, um sämtliche Komponenten selbst auswählen zu können. Auf dem Weg zu einer optimal konfigurierten Bildverarbeitungsplattform lauern jedoch zahlreiche Stolperfallen: So kann bei der Konfiguration ein einziges fehlendes Häkchen in einem Untermenü schnell dazu führen, dass ein System nicht wie gewünscht läuft. Fehlendes Know-how führt hier schnell zu aufwendigen Trial&Error-Prozessen. Mit der Anzahl der Systemkomponenten, die zur individuellen Konfiguration eingesetzt werden sollen, steigt auch die Zahl potenzieller Fehlkonfigurati­onen. Eine Vielzahl möglicher Lieferanten macht die Systemkonfiguration nicht leichter.

In der Regel stehen der Aufwand und die hohe Wahrscheinlichkeit möglicher Folgeprobleme in keinem Verhältnis zum eventuellen Mehrpreis eines ap­plikationsfertig vorkonfigurierten Systems. Dies gilt insbesondere dann, wenn es in Serie gehen und in weltweit verteilten Standorten zum Einsatz kommen soll.

Hersteller von Bildverarbeitungssoftware wie Q.Vitec sind deshalb dazu übergegangen, ihren Kunden auch die Systemintegration anzubieten. Hierzu benötigen sie neben den passenden Kameras und Beleuchtungssystemen eine passende, bedarfsgerecht skalierbare Computerplattform. Je nach Anwendungsfall passen unterschiedliche Systeme für ein Bildverarbeitungssystem – das Spektrum reicht von einfachen und kompakten Box-PCs bis zu Hochleistungs-Industrieservern für den 19-Zoll-Schrank. In Anwendungen, in denen sowohl die Leistungsdichte als auch die Skalierbarkeit eine Rolle spielen, bieten sich Systeme auf Basis des Standards „CompactPCI Serial“ an. Der modulare Aufbau dieses Standards ermöglicht es, Komponenten bedarfs-gerecht zu einem System zusammenzustellen. So lassen sie sich an die geforderte Leistung anpassen und jederzeit erweitern. Die Systemkonfiguration erfolgt auf Basis von Standardkomponenten, die sich wie aus einem Baukasten zusammenstellen lassen.

CompactPCI Serial als Plattform

CompactPCI-Serial-Systeme bieten über die Backplane hochperformante Schnittstellen wie Gigabit Ethernet, USB, PCI Express und SATA an. Auch aktuelle Schnittstellenversionen wie USB 3.0, SATA 6Gb/s und PCI Express 3.0 werden unterstützt. So bietet laut Compact-PCI-Serial-Standard jedes System achtmal Gigabit Ethernet, achtmal USB 3.0 sowie 40 PCI Express Lanes auf der Backplane. Durch die Verwendung dieser Highspeed-Schnittstellen lassen sich Gigabit-Ethernet- oder USB-3.0-basierte Kameras einfach an das System anschließen. Entsprechende Karten zum Anschluss sind verfügbar. Für die Zukunft sind darüber hinaus Karten mit zusätz­licher PoE-Versorgung der Kameras geplant. Über passende Trägerkarten sind PCI-Express-basierte CameraLink-Framegrabber ins System integrierbar. Und auch zur Integration ergänzender Steuerungen eignet sich CompactPCI Serial, da es für diesen Standard diverse industrielle I/O-Baugruppen gibt. Ein weiterer Vorteil: Mehrere Vision-Systeme sind in ein Gehäuse integrierbar, wodurch sich Lösungen für die Parallelverarbeitung auf kleinem Raum realisieren lassen. Gleichzeitig sind mit Compact­PCI Serial Systeme realisierbar, bei denen mehrere Prozessorboards anspruchsvolle Algorithmen parallel bearbeiten. Gegenüber dem klassischen Compact­PCI sind mit CompactPCI Serial flexiblere und leistungsfähigere System­konfigurationen möglich.

Das auf CompactPCI Serial basierende, applikationsfertige Vision-System von Q.Vitec ist in Zusammenarbeit mit Kontron entstanden. Evaluierungssysteme stehen funktionsfertig zur Verfügung, was die Time-to-Market der Systemlösung deutlich verringert. Bei der kundenspezifischen Optimierung der Hardware- und Software-Konfiguration wird Q.Vitec durch Kontron unterstützt. Hierfür wurde ein gemeinsames Kompetenzteam für Vision-Systeme geschaffen, das projektspezifisch zusammentritt. So erhalten Anwender die volle Unterstützung auch seitens des Hardware-Lieferanten – bei Bedarf sogar inklusive 2nd-Level-Support bei spezifischen Hardwarefragen in der Serie.

Das System passt zur modularen Software „Vision Q.400“ von Q.Vitec, die es in Basic-, Advanced- und Professional-Auslegungen gibt und die mit bis zu zwölf Kameras parallel arbeiten kann. Eine integrierte HDevelop-Skript-Engine ermöglicht es Anwendern, individuelle Erweiterungen zu implementieren; Applikationsentwickler können auf die Bildverarbeitungsbibliothek Halcon von MVTec zugreifen.

Autoren: Thomas Hünerfauth ist Senior Manager Imaging Solution bei Q.Vitec in Wunstorf,
Sandra Korsinek ist Technology Managerin bei Kontron in Eching.

Modulare Hard- und Software

Auf der SPS IPC Drives präsentieren Q.Vitec und Kontron ein applikationsfertig konfiguriertes Bildverarbeitungssystem auf Basis des modularen Industriecomputer-Standards CompactPCI Serial und der modularen Bildverarbeitungssoftware „Vision Q.400“. Die Fähigkeiten des Bildverarbeitungssystems demonstriert eine Demokonfiguration zur Erkennung von Glasampullen und AA-Batterien. Hier kommen vier GigE-Vison-Kameras aus unterschiedlichen Perspektiven zum Einsatz. Gezeigt werden die Konturen-erkennung und der Aufdruck-Abgleich mittels OCR bei sich konstant drehenden Prüflingen. Die gemessenen Daten werden in Form eines Protokolls zusammengestellt, das in der Demo über den Bildschirm ausgegeben wird. Das Speichern in Datenbanken ist jederzeit möglich. Die Flexibilität der Hardware-Auslegung wird exemplarisch durch die Anbindung der Kameras an zwei unterschiedliche CompactPCI-Serial-Systeme mit unterschiedlichen Netzwerk-Karten und CPU-Boards gezeigt.