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Intelligente Beleuchtungssysteme – Wie Bildverarbeitungstechnologie auf die Bedürfnisse von erfahrenen Anwendern und Applikationsanforderungen reagiert

Eine Fokusgruppe führender Unternehmen der Bildverarbeitungsbranche unter Vorsitz des VDMA berichtete kürzlich, dass neue Technologien in einigen wichtigen Bereichen großen Einfluss auf diesen Sektor haben werden. Dazu gehören neue Anwendungen, die durch die großen Technologiefortschritte überhaupt erst möglich geworden sind, und dank der immer benutzerfreundlicheren Systeme eine wachsende Anzahl an Bildverarbeitungsanwendern.

In diesem Artikel zeigen wir anhand zweier Beispiele, wie die innovative Technologie der intelligenten Beleuchtungssysteme Anwendungen im Sinne der VDMA-Fokusgruppe beeinflusst:

  • “Zukunftsweisende Anwendungen durch neue Technologien” – Garantierte dauerhaft konstante Lichtintensität

  • “Vergrößern des Anwenderkreises für industrielle Bildverarbeitung” – Einfache Anwendung von Beleuchtungssteuerungen

Das Konzept der intelligenten Beleuchtung ist erst vor kurzem durch die Umsetzung von Industriestandards im Bereich der Vernetzbarkeit sowie durch die Zusammenarbeit von führenden Herstellern von LED-Beleuchtungssystemen, LED-Steuerungen und Bildverarbeitungssoftware realisiert worden. Diese Entwicklung ist deshalb so wichtig, weil die Beleuchtung eine fundamentale Grundlage für die Optimierung von Prüfergebnissen und letztendlich für die Effizienz eines Bildverarbeitungssystems ist. Denn selbst die besten Kameras können nur das erfassen, was sie erkennen, und die beste Bildverarbeitungssoftware stützt sich auf die Ergebnisse, die die Kamera liefert. Die Qualität von gleichmäßiger Ausleuchtung, Intensität und Auflösung hat deshalb immer weitreichende Folgen für die Applikationen von Bildverarbeitungsanwendern, wie wir im Folgenden näher erläutern werden.

Garantierte, dauerhaft konstante Lichtintensität

Ein intelligentes Beleuchtungssystem garantiert eine dauerhaft konstante Beleuchtungsstärke, indem es die Beleuchtung automatisch anhand der Bildqualität anpasst. Dies ist besonders wichtig in Situationen, in denen die Lichtverhältnisse im Laufe des Prüfprozesses schlechter werden, oder auch bei Änderungen des Umgebungslichts oder der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfobjekts.

Derzeit gibt es die Möglichkeit, Kamera-Gain, Belichtung und Blende anzupassen, um eine inkonsistente Beleuchtung innerhalb einer Bildverarbeitungsanwendung auszugleichen. Allerdings gibt es Situationen, in denen die Modifikation der Lichtintensität Vorteile gegenüber Änderungen der Kameraeinstellungen oder des Objektives hat. Wenn bei Anwendungen mit weniger Licht der Gain verstärkt wird, so wird auch das Rauschen im Bild verstärkt; längere Belichtungszeiten können bei sich bewegenden Objekten Unschärfe nach sich ziehen; das Öffnen der Blende hat schließlich die Reduzierung der Schärfentiefe zur Folge, so dass bei einem nicht flachen Prüfobjekt Teile des Bildes eventuell nicht mehr im Fokus sind.

In Situationen wie diesen kann es also von Vorteil sein, das Beleuchtungsniveau anzupassen, um veränderte Lichtverhältnisse in einer Applikation automatisch auszugleichen. Beispielsweise lässt sich mit der intelligenten Beleuchtungsplattform Triniti von Gardasoft die Beleuchtungsintensität und -qualität sicherstellen. Dies gelingt dank der nahtlosen Verbindung zwischen Bildverarbeitungssoftware, Kameras, Beleuchtungssystemen und Beleuchtungssteuerungen, so dass sowohl das aktuelle Beleuchtungsniveau innerhalb des Systems als auch das maximale Beleuchtungspotential zu jedem Zeitpunkt ermittelt werden kann und sich Anpassungen je nach Anforderung durchführen lassen.

Die folgende Grafik veranschaulicht die einzelnen Systemeigenschaften:

  • Die Kamera bestimmt die optimale Beleuchtungsintensität für die Applikation
  • Die Bildverarbeitungsapplikation überwacht ständig die zulässigen Bandbreiten der eingesetzten Beleuchtungssysteme
  • Die Beleuchtungssteuerung passt die Beleuchtungsintensität bei Bedarf in Echtzeit automatisch an

Zusammenspiel von Kamera, Beleuchtungssteuerung und Bildverarbeitungssoftware

In diesem Beispiel sind eine GigE-Vision-Kamera und eine Triniti-gesteuerte Beleuchtung zu sehen. Zusätzlich zu ihrer eigentlichen Funktion misst die Kamera in einem definierten Bereich die Beleuchtungsintensität – mittels eines „Testbildes“. Die Werte werden kontinuierlich an die Bildverarbeitungsapplikation übermittelt, wo sie mit den vorher festgelegten zulässigen Werten verglichen werden. Werden die zulässigen Werte nicht erreicht, erfolgt ein Signal an die Beleuchtungssteuerung, um die Intensität heraufzusetzen, bis das Beleuchtungsniveau wieder Werte im zulässigen Bereich liefert.

Dank des Triniti-Systems kann die Lichtintensität auf eine absolut sichere Weise angehoben werden, da die Steuerung die maximale Lichtintensität des entsprechenden Beleuchtungssystems kennt. So lässt sich der vorher beschriebene Zyklus für die Applikation kontinuierlich fortsetzen, bis die maximale Lichtintensität erreicht wird. Für den Anwender ist auch interessant, dass die Beleuchtungssteuerung so konfiguriert werden kann, dass sie ein Warnsignal zur “präventiven Wartung” sendet, bevor die maximale Beleuchtungsintensität erreicht wird. So kann die Beleuchtung rechtzeitig ersetzt werden, was die Betriebszeit des Herstellungsprozesses heraufgesetzt und unnötigen Ausschuss aufgrund von schlechten Prüfbildern verhindert.

Mehrfachaufnahmen erfordern verschiedene Beleuchtungseinstellungen

Intelligente Beleuchtung erleichtert die Konzeption und den Aufbau von Bildverarbeitungssystemen mit dem, was man als komplexe Beleuchtungskonfiguration versteht – beispielsweise Systeme mit mehreren Beleuchtungseinheiten und Kameras, in denen Mehrfachaufnahmen von ein- und demselben Objekt erforderlich sind.

In diesen Fällen ist dies von Vorteil, weil:

  • alle Beleuchtungen innerhalb des Netzwerkes sichtbar sind,
  • die Bildverarbeitungssoftware mit Kameras und Beleuchtungen gleichzeitig arbeiten kann,
  • die einzelnen Beleuchtungseinheiten einfach zu identifizieren sind, um Verwechslungen zu vermeiden.

Es gibt Applikationen, bei denen mehrere Bilder von einem einzigen Produkt aufgenommen werden müssen, um verschiedene Prüfaufgaben durchzuführen: Ein Ringlicht wird beispielsweise zu Beginn des Inspektionsprozesses mit maximaler Helligkeit betrieben, um damit die exakten Abmessungen eines Prüfobjektes zu ermitteln. Danach werden mit demselben Ringlicht, das nun mit etwas weniger Lichtintensität eingesetzt wird, eventuelle Defekte in der Oberfläche aufgedeckt. Für eine weitere Prüfaufgabe, wie z.B. die Kontrolle der korrekten Position von Bohrlöchern, wird das Ringlicht dann komplett ausgeschaltet und eine zusätzliche Hintergrundbeleuchtung kommt dafür zum Einsatz.

Im nächsten Beispiel besteht die Aufgabe des Systems darin, viele verschiedene Variablen an verschiedenen Produkten in einem Prüfprozess zu messen. Zusätzlich müssen verschiedenartige Produkttypen, die den Prüfprozess durchlaufen, identifiziert werden. Es sind daher während eines Prüfprozesses diverse Beleuchtungseinstellungen nötig, die je nach identifizierten Produkttyp angewendet werden müssen.

In vielen Prüfprozessen sind diverse Beleuchtungseinstellungen nötig, um die die integrierten Beleuchtungen anzusteuern.

In diesem Beispiel ist die Funktionsweise der Beleuchtungssteuerung auf “Multi-Pulsing” eingestellt. Die sogenannte „S15“-Funktion ist ideal für erfahrene Anwender und als Standardfunktion in allen Triniti-Modellen der LED-Steuerungen von Gardasoft verfügbar. Aber auch weniger fachkundigen Anwendern erleichtert die intelligente Beleuchtungsplattform die Implementierung, da sich die einzelnen Beleuchtungseinheiten sehr leicht identifizieren, problemlos mit Kameras integrieren und mit der Standard-Bildverarbeitungssoftware sehr schnell in Betrieb nehmen lassen.

Die Steuerungen geben eine Reihe von Impulsen mit unterschiedlichen Intensitäten auf verschiedenen Kanälen jedes Triggers aus. Nach Beenden einer Sequenz beginnt sie wieder von vorne und wiederholt sich kontinuierlich. Die Länge der Sequenz, die verschiedenen Intensitäten und die Impulsbreite sind auf jedem Kanal konfigurierbar. Ein Trigger-Eingang wird für das Auslösen der Lichtimpulse genutzt, ein anderer kann dafür eingesetzt werden, um die Sequenz zurückzusetzen, damit sichergestellt wird, dass das System in einem synchronisierten Zustand beginnt. Das Zurücksetzen der Sequenz kann auch durch einen Ethernet-Befehl erfolgen.

Impulsdiagramm

In unserem Beispiel werden die Beleuchtungen in einer bestimmten Reihenfolge ausgelöst und gesteuert, um vier Aufnahmen der Leiterplatte zu machen. Dabei wird die Beleuchtungssteuerung für jede Aufnahme ein einziges Mal getriggert. Jedes Trigger-Signal löst eine andere Kombination der installierten Beleuchtungseinheiten aus, um die entsprechende Beleuchtungssituation für die jeweilige Aufnahme zu schaffen. Wenn die nächste Leiterplatte den Prüfpunkt erreicht, wiederholt sich die Sequenz.

Jedes Trigger-Signal löst eine andere Kombination der installierten Beleuchtungseinheiten aus, um die entsprechende Beleuchtungssituation für die jeweilige Aufnahme zu schaffen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass intelligente Beleuchtungssysteme ein gutes Beispiel dafür sind, wie sich die Bildverarbeitungstechnologie, beeinflusst durch die Bedürfnisse von erfahrenen Anwendern und Applikationsanforderungen, weiterentwickelt. Neben optimierten Steuerungsfunktionen und einer nahtlosen Vernetzbarkeit ziehen Benutzerfreundlichkeit und intuitive Bedienung der Systeme immer neue Bildverarbeitungsanwender an.


Autor

Paul Downey, Marketing Manager, Gardasoft Vision Limited
www.gardasoft.com