98-prozentige Datenreduktion

Kamera-integrierte 3D-Bildverarbeitung in Echtzeit

Bildverarbeitung im PC kann für die Inspektion von sich schnell bewegenden breiten Bahnwaren eine ineffiziente, weil nur unter hohem Ressourceneinsatz mögliche, Option darstellen. Dies trifft insbesondere auf die Verarbeitung großer Datenvolumina in kurzer Zeit zu, z.B. von 3D-Bilddaten. Eine Softwareplattform in Kombination mit einer Standard GigE Vision Kamera versetzt nun Anwender in die Lage, anspruchsvolle proprietäre Bildverarbeitungsfunktionen vom PC in den FPGA der Kamera zu verschieben. Dies führt zu einer Reduktion der von der Kamera übertragenen Daten um 98 Prozent und somit der Verarbeitung der Daten im PC in Echtzeit.

 Bei der Teppichschneidemaschine von Kuris erfolgt dank kamera-integrierter 3D-Lasertriangulation eine auf 0,5mm genaue 3D-Detektion des Teppichs in Echtzeit. (Bild: NET New Electronic Technology GmbH)

Bild 1 | Bei der Teppichschneidemaschine von Kuris erfolgt dank Kamera-integrierter 3D-Lasertriangulation eine auf 0,5mm genaue 3D-Detektion des Teppichs in Echtzeit. (Bild: NET New Electronic Technology GmbH)

Der Lösungsanbieter digmar GmbH aus dem österreichischen Kramsach konnte auf Basis des Open Camera Konzepts und unter Einsatz der GigEPro Kameras für Kuris, einen internationalen Hersteller von Teppichschneidemachinen, eine Lösung entwickeln, die eine Verarbeitung großer Datenströme in Echtzeit ermöglicht. Im Ergebnis gelang so eine signifikante Reduktion des im PC zu verarbeitenden Datenvolumens in Echtzeit. Neben der Echtzeitfähigkeit war es Kuris wichtig, über eine skalierbare Lösung zu verfügen, die an Kundenbedarfe problemlos angepasst werden kann. Kuris stellt als Hersteller für Lege- und Zuschneidemaschinen mit mehr als 10.000 Installationen höchste Anforderungen an optische Prüfsysteme. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal sind dabei zuverlässige und hochpräzise 3D-Inspektionslösungen, die großen Einfluss auf Verfahrensgeschwindigkeit und Fertigungsqualität haben. In dem Teppichcutter Beispiel, sind mehrere GigEPro Kameras im Einsatz. Sie sorgen für eine auf 0,5 Millimeter genaue Erfassung des Teppichs in drei Dimensionen, und das über die komplette Arbeitsbreite von mehr als 4m bei Bandgeschwindigkeiten von bis zu 50m/min. Das Open Camera Konzept versetzt digmar in die Lage, die Kamera selbstständig und entsprechend den eigenen Anforderungen zu konfigurieren. So können individuelle Aufgaben vom PC in den kamera-integrierten FPGA der Kamera verschoben werden. Die Ausführung rechenintensiver Aufgaben, wie die 3D-Lasertriangulation, erfolgt dabei in Echtzeit.

Kamera-integrierte Applikation

Der Teppich wird kontinuierlich unter dem Kamera-Laser-System bewegt, wobei eine Vielzahl von Triangulationsprofilen generiert werden, die aneinandergereiht ein 3D-Bild des Objektes ergeben. Mithilfe des auf den Kamera-FPGA implementierten Algorithmus erzielt digmar eine subpixelgenaue Auswertung der Bilddaten, mit einer Genauigkeit von 0,5mm in allen drei Dimensionen. Aufgrund der Teppichbreite von mehr als 4m sind mehrere hochauflösende Kameras von NET im Einsatz. Für die Erfassung des relevanten Wellenbereiches des eingesetzten Lasers sind entsprechende optische Filter vonnöten. Im Hinblick auf die zeitlich exakte Synchronisierung mehrerer Kameras wird eine Gear Box eingesetzt, welche die synchrone Triggerung der Kameras in Relation zur Bandgeschwindigkeit (50m/min) erzeugt. Um die 3D-Lasertriangulation durchzuführen, müssen die Kameras je nach Abstand zueinander und zum Objekt in x- und y-Achsen kalibriert werden. Weitere Schritte sind die Berechnung der Überlappungen der Sichtbereiche, das Herausrechnen der optischen Verzerrung und die Kalibrierung der Höhe.

Bild 2 | Der Workflow des Open Camera Konzepts ermöglicht Kameraintegrierte Anwendungslösungen. (Bild: NET New Electronic Technology GmbH)

Open Camera Konzept

Die Kameraplattform basiert auf einem Xilinx Spartan 6 FPGA. Die Grundversion der Kamera hält genügend Kapazität im FPGA und DDR Speicher bereit, damit der Anwender ein eigenes Custom Module mit proprietären Bildverarbeitungsfunktionen ergänzen kann. Erst dadurch ist er in der Lage, kundenspezifisch entwickelte Funktionalität in die Kamera zu bringen. Zur Programmierung des kamerainternen FPGA stellt NET ein Tool Chain Setup (Xilinx ISE) zur Verfügung. Der Vorteil Kamera-integrierter Bildverarbeitung im Vergleich zu konventioneller PC-basierter Bildverarbeitung liegt in der Echtzeitfähigkeit, keinem zusätzlichen Bedarf an Rechenressourcen auf PC-Seite sowie der Erweiterbarkeit der optischen Inspektion. Grund hierfür ist die Reduktion der Datenmenge um 98% im Gegensatz zur bisherigen Lösung. So liefert die Kamera neben dem Höhenbild auch ein Intensitätsbild, welches die Grauwerte des Originalbildes beinhaltet. In Konsequenz ist die Inspektion von weitaus größeren Bahnbreiten ohne Qualitätseinbußen realisierbar. Dank der Entwicklungsplattform konnte digmar in einer gewohnten Arbeitsumgebung ihre Algorithmen auf den kamerainternen FPGA der Kamera, der für Dritte zugriffsicher ist, programmieren. Auch sind künftige Anpassungen der Anwendung durch das Open Camera Konzept problemlos möglich. Weitere Anwendungslösungen des Systems sind die genaue Erfassung von Außen- und Innenkonturen, Bohrungen, Materialhöhe, Höhenfehler etc.

98-prozentige Datenreduktion
Bild: NET New Electronic Technology GmbH


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