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Virtual Machine Vision

Bildverarbeitungssimulation im CAD

Bei der Entwicklung von Lösungen zur Qualitätskontrolle stellt sich regelmäßig die Frage nach Kameratyp, -position, Objektiv und Beleuchtung. Hinzu kommen Variablen wie die Geschwindigkeit des Fließbandes oder die Lage der zu prüfenden Objekte. Früher mussten diese Faktoren ‚geschätzt‘ werden, um mit dem Aufbau der Lösung zu beginnen. Anpassungen bzw. Optimierungen konnten erst an der fertigen Anlage zeit- und kostenintensiv durchgeführt werden. Mittlerweile gibt es Softwarelösungen wie ‚Digital Vision Surveillance‘ (DVS), die es erlauben, das komplette Bildverarbeitungssystem mit all seinen Variablen vorab im CAD zu simulieren und zu optimieren.
Für verlässliche Simulationsergebnisse die als Optimierungsgrundlage der Bildverarbeitungslösung dienen, genügt es nicht nur, das Kamerasystem in die Simulation einzubeziehen. Vielmehr müssen auch Faktoren wie Materialeigenschaften der zu prüfenden Objekte und Lichtbedingungen mit einfließen, denn beides sind wesentliche Faktoren des Systems. Zu wenig Licht und das Objekt wird nicht bzw. nur schlecht erkannt, was zu langsamen Takten oder Fehlentscheidungen des Systems führen kann. Material, das Licht in hohem Maße absorbiert oder eine Oberfläche hat, die es extrem reflektiert, beeinflussen die Effizienz des Systems ebenfalls negativ. Daher muss eine Simulation folgende drei Faktoren berücksichtigen und in das CAD-Modell einfließen lassen:

  • • Kamera- und Objektivwahl: Im Idealfall verfügt die Simulationslösung über eine kontinuierlich gepflegte Kamerabibliothek, die bereits die wichtigsten Variablen (Fokuspunkt, Brennweite, optische Verzerrung, Sensorgröße/-auflösung etc.) enthält. Zusätzlich zur Bibliothek muss es auch möglich sein, eine virtuelle Kamera selbst zu definieren.
  • • Lichtquelle: Analog zum Kameramodell bietet die Simulationslösung im Idealfall eine Bibliothek mit einer großen Auswahl an unterschiedlichen Lichtquellen. So werden Lichtverteilung, Beleuchtungsstärke, Farben etc. ebenfalls in der Simulation berücksichtigt. Außerdem müssen eventuelle Umgebungslichter oder Markierungen wie Laserlinien/-gitter in die Simulation mit einbezogen werden.
  • • Materialeigenschaften: Genauso unerlässlich ist es, die zu prüfenden Objekte mit ihren optischen Eigenschaften zu belegen: Lichtabsorption/-brechung/-reflektion, etc. Starke Reflektionen, Ghostimages oder eine zu starke Absorption des Lichts durch das zu prüfende Bauteil können so ebenfalls durch eine Simulation erkannt und beseitigt werden. Sind die entsprechenden Materialien nicht in der Bibliothek verfügbar, müssen diese mittels Goniometer optisch vermessen werden.

Werden die genannten drei Parameter berücksichtigt, sind die Simulationsergebnisse belastbar und können als Entscheidungsgrundlage für Optimierungen des Systems herangezogen werden. So kann es schon ausreichend sein, lediglich die Kameraposition zu variieren oder ein anderes Objektiv zu verwenden, um das Kamerasichtfeld entsprechend den Anforderungen zu verändern. In anderen Fällen, muss eine stärkere Beleuchtung gewählt werden, da ein empfindlicherer Kamerasensor teurer ist, als eine leistungsfähigere Lichtquelle. Manchmal ist eine Analyse außerhalb des sichtbaren Lichts sinnvoll, denn CCD-Kamerasensoren sind auch im UV und IR-Bereich empfindlich. Oftmals werden schwarze Objekte in diesen Wellenlängen aufgehellt und es ist eine Messung möglich, bei der das sichtbare Streulicht stark minimiert werden kann. Alle diese Entscheidungen können dank Simulation bereits in der Entwicklungs- bzw. Planungsphase der Bildverarbeitungslösung getroffen werden. Die Simulation zeigt, dass das Kamerasichtfeld den richtigen Bereich und der Kamerasensor das Prüfobjekt erfasst. Um den Prozess zu 100% in der Simulation nachzubilden, muss das System auch über eine Schnittstelle zum Post-Processing verfügen und die simulierten Bilder des Kamerasensors übergeben können. Nur so ist es möglich, die Bildverarbeitungsalgorithmen frühzeitig an das System anzupassen. Ausfallzeiten bzw. langwierige und kostenintensive Anpassungen an der fertig aufgebauten Anlage oder der Bildverarbeitungssoftware gehören somit der Vergangenheit an.

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