Steigern Sie die Produktionsqualität:Hochgeschwindigkeits-Digitalbildgebung verbessert die herkömmliche maschinelle Bildverarbeitung

Machine Vision ist ein bewährtes Prozesssteuerungstool für eine Vielzahl industrieller Automatisierungsanwendungen. Traditionell integriert diese Technologie handelsübliche Bildsensoren (COTS), Beleuchtungsmodule und Prozessoren, um Teile auf ihrem Weg entlang der Produktionslinien zu führen, zu prüfen oder zu identifizieren. Im Vergleich zu menschlichen Bedienern sind Bildverarbeitungssysteme schnell, genau und wiederholbar – was die Produktqualität verbessert, die Ausschussquote senkt und die Produktivität in schnelllebigen Fertigungsumgebungen erhöht.

Während die betrieblichen Vorteile auf der Hand liegen, erweitert die digitale Hochgeschwindigkeitsbildgebung die Vorteile, Fähigkeiten und Anwendungsfälle der maschinellen Bildverarbeitung noch weiter. Dank ihrer hohen Auflösung, schnellen Bildraten und Streaming-Fähigkeiten ermöglichen Hochgeschwindigkeitskameras die maschinelle Bildverarbeitung in anspruchsvollen Anwendungen, die Echtzeitanalysen oder lange Aufzeichnungszeiten erfordern, wie z. B. Halbleiterfertigung, Space-Shuttle-Starts, Eisenbahninspektion und mehr. Aus diesen Gründen erfassen Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungssysteme das, was herkömmliche Bildverarbeitungssysteme nicht können, und beleuchten Prozesse, die zu klein oder zu schnell sind, um mit dem menschlichen Auge gesehen zu werden.

Hauptmerkmale von Hochgeschwindigkeitskameras für die industrielle Bildverarbeitung

Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von herkömmlichen Bildverarbeitungskameras. Anstelle von COTS- oder CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) integrieren Hochgeschwindigkeitskameras speziell entwickelte CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Wenn CMOS-Sensoren speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entwickelt werden, bieten sie eine unübertroffene Geschwindigkeit und Empfindlichkeit, was zu detaillierteren Inspektionen und höheren Erträgen bei Bildverarbeitungsanwendungen wie Fehlererkennung, Teilemessung und mehr führt. Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras mit CMOS-Sensoren mit mehreren Megapixeln erzielen selbst bei anspruchsvollen Bildraten eine außergewöhnliche Bildqualität.

Wünschenswerte Funktionen

Hochgeschwindigkeitskameras für die maschinelle Bildverarbeitung erfreuen sich zunehmender Beliebtheit in Life-Science-Anwendungen, ballistischen Tests, 3D-Druck und mehr.

Es reicht nicht aus, dass Bildverarbeitungskameras einfach nur schneller sind; Sie müssen dafür ausgelegt sein, damit umzugehen. Neben schnellen Bildraten von über 67.000 fps sind bei der Auswahl von Hochgeschwindigkeitskameras für Bildverarbeitungsanwendungen folgende Merkmale zu beachten:

Auflösung: Phantom-Bildverarbeitungskameras verfügen über CMOS-Sensoren mit bis zu 9 Megapixeln. Diese Multi-Megapixel-Sensoren liefern – gepaart mit den kleinen Pixelgrößen der Kameras – detailliertere Bilder bei schnellen Bildraten.

Lichtempfindlichkeit: Im Allgemeinen gilt:Je kleiner die Pixelgröße, desto größer die Bilddetails – was besonders wichtig bei Anwendungen ist, die ein Mikroskop erfordern. CMOS-Sensoren verfügen über Pixelgrößen von nur 5,6 Mikrometern, was zu einem hohen nativen ISO-Wert führt. Dadurch erreichen diese Kameras trotz der geringen Belichtungszeiten, die für Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungsanwendungen erforderlich sind, eine hervorragende Bildqualität.

Belichtungszeit: Phantomkameras haben Belichtungszeiten von nur 1 Mikrosekunde. Diese Fähigkeit – zusammen mit hoher Lichtempfindlichkeit und kleinen Pixelgrößen – friert Hochgeschwindigkeitsbewegungen ausreichend ein und eliminiert gleichzeitig Bewegungsunschärfe.

Dynamischer Bereich: Der Dynamikbereich kommt ins Spiel, wenn ein Bild viele Schattierungen aufweist oder wenn ein Motiv fast die gleiche Farbe wie sein Hintergrund hat. Je höher der Dynamikbereich einer Kamera ist, desto mehr Schattierungsschärfe kann der Sensor erkennen. Phantom-Bildverarbeitungskameras haben einen Dynamikbereich zwischen 54,8 und 59,7 Dezibel, wodurch sie für dunklere Anwendungen wie die Halbleiterinspektion geeignet sind.

Zusätzlich zu den hochgradig angepassten Sensoren nutzen Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras die Kupfer-CoaXPress-Kabeltechnologie (CXP), die es ihnen ermöglicht, große Datenmengen in Echtzeit an kompatible, branchenübliche Backend-Framegrabber zu übertragen. Diese Möglichkeit, Daten sofort zu streamen, vermeidet den zeitaufwändigen Prozess, Daten im begrenzten RAM der Kamera zu speichern, bevor sie auf einen Computer heruntergeladen werden. In Verbindung mit handelsüblichen DVR-Geräten unterstützen diese Streaming-Kameras auch längere Aufzeichnungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, beispielsweise Raketendynamik, Flugzeugdynamik und Ballistik, um nur einige zu nennen.

Das CXP6-Protokoll ist derzeit die schnellste Standard-Datenübertragungsmethode. Jedes Kupferkabel erreicht Datenübertragungsraten von 6,25 Gigabit pro Sekunde von der Kamera zum Backend-Empfängergerät. Der neuere CXP12-Standard verdoppelt diese Rate, wodurch sowohl CXP6 als auch CXP12 ideal für Kameras sind, die einen hohen Durchsatz erfordern.

Dank ihrer Lichtempfindlichkeit und schnellen Bildraten eignen sich hochwertige Streaming-Kameras ideal für die Halbleiterinspektion.

Während die meisten Bildverarbeitungskameras einen Datendurchsatz von bis zu 2 Gigapixeln pro Sekunde bieten, erreichen die schnellsten Streaming-Kameras der Welt direkte Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 9 Gigapixeln pro Sekunde. Diese Kameras teilen und übertragen Bilder zeilenweise und fügen dann jedes Bild mithilfe eines einfachen Algorithmus wieder zusammen, wodurch höhere Bildraten und Auflösungen möglich werden. Durch die Verwendung von GenICam, einer generischen Programmierschnittstelle, erleichtern diese Kameras auch die Konfiguration und Integration in bestehende Systeme.

Echtzeit- vs. Langzeitaufzeichnungskonfigurationen

Die Backend-Konfiguration in Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungssystemen hängt von einer Reihe von Variablen ab, darunter der erforderlichen Bildrate, Auflösung und Aufzeichnungszeit. Für Echtzeitanalysen können Benutzer bis zu 16 Standard-CXP6-Kanäle auf der Streaming-Kamera nutzen. Während CXP6-Kabel eine Kommunikation über bis zu 68 Meter ermöglichen, erreichen Glasfaserstecker längere Distanzen bis zu 200 Kilometer. Benutzer können außerdem den Allzweck-Ein-/Ausgang (GPIO) der Kamera für eine schnelle, flexible Signalisierung und Synchronisierung nutzen.

Zu den weiteren Hardware- und Softwarekomponenten gehören:

• App-spezifischer Framegrabber und CXP6-Framegrabberkarte;

• Software, einschließlich der Framegrabber-API, Matlab®, LABVIEW oder jeglicher Nachbearbeitungs-Vision-Tools;

• Bildverarbeitungshardware, typischerweise ein GPU-Mikroprozessor oder FPGA;

• Ein Computer mit PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3-Steckplätzen.

Während die meisten Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Hunderten von Millisekunden ablaufen, erfordern Bildverarbeitungsanwendungen möglicherweise längere Aufzeichnungszeiten – beispielsweise mehrere Minuten bis eine halbe Stunde –, um Ereignisse wie den Start eines Space Shuttles zu berücksichtigen. Um die mit solch großen Datenmengen verbundenen Speicherherausforderungen zu bewältigen, können Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras Daten direkt an eine DVR-Einheit streamen, die über mehrere Terabyte Speicherplatz verfügt. Mit diesem Plug-and-Play-Setup können Benutzer die eingehenden Daten problemlos für eine spätere Analyse speichern.

Ausbau traditioneller Bildverarbeitungsanwendungen

Dank Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras können Hersteller Bilder mit höherer Auflösung und Aufzeichnungsgenauigkeit erzielen. Diese Funktionen erhöhen die Liniengeschwindigkeit und das Produktionsvolumen, verringern Engpässe und senken die Kosten pro Einheit. Gleichzeitig können diese Streaming-Kameras Ziele im Nanometerbereich erfassen, die sonst mit herkömmlichen Bildverarbeitungskameras schwer zu erkennen – geschweige denn zu analysieren – sind, wodurch sich die Bildverarbeitung von einem Prozesssteuerungstool in ein Diagnosetool verwandelt. Infolgedessen gewinnt die maschinelle Bildverarbeitung in Branchen wie den Biowissenschaften, der Halbleiterfertigung, der Pharmaindustrie und anderen an Bedeutung.

Zu den neuesten Anwendungsbereichen für Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitung gehören:

Halbleiterinspektion: Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras spielen in der Halbleiterfertigung, einer durchsatzorientierten Branche, eine immer wichtigere Rolle. Insbesondere identifizieren und kennzeichnen sie Teiledefekte schnell, sobald sie auftreten, wodurch fehlerbedingte Kosten und Ausfallzeiten gesenkt, der Durchsatz verbessert und die Inspektionszeiten auf ein Minimum reduziert werden.

Hochwertige Bildverarbeitungskameras schaffen die notwendige Balance zwischen Lichtempfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und schnellen Bildraten, die für Halbleiteranwendungen erforderlich sind, bei denen es sich typischerweise um Größenskalen im Submikrometerbereich handelt. Bei voller Auflösung von 4.096 × 2.304 verfügt die Streaming-Kamera Phantom S990 beispielsweise über eine Pixelgröße von 6,75 μm, ein Rauschen von 9,6 e und eine Aufnahmegeschwindigkeit von 938 fps und erzeugt so qualitativ hochwertige Bilder, die es der Bildgebungssoftware ermöglichen, subtile Abweichungen zwischen den hellen und dunklen Bereichen zu erkennen, die auf einen Defekt hinweisen.

Hochgeschwindigkeitsspektrometer: Hochgeschwindigkeitsspektrometer werden in vielen Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der Pharma- und Agrarindustrie eingesetzt und beugen weißes Licht in verschiedene Wellenlängen, um ein Absorptionsspektrum zu erzeugen, das es ermöglicht, das Vorhandensein bestimmter Materialien zu erkennen. Eine neue Anwendung für dieses Verfahren ist die Überprüfung der chemischen Zusammensetzung pharmazeutischer Tabletten mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras. Die Kameras zeichnen Tablets auf, während sie sich über ein Förderband bewegen. Basierend auf dem gebeugten, absorbierten und durchgelassenen Licht, das die Linse erreicht, kann die Kamera dann defekte Tablets kennzeichnen und gleichzeitig die Produktionslinien am Laufen halten.

Dank ihrer hohen Aufnahmegeschwindigkeit und Lichtempfindlichkeit sind Hochgeschwindigkeits-Streaming-Kameras ideal für diese neue Anwendung. Diese Kameras bieten nicht nur eine berührungslose Inspektionsmethode, sondern können auch problemlos Dutzende Tabletten im selben Sichtfeld gleichzeitig prüfen und so den Durchsatz in kritischen pharmazeutischen Betrieben verbessern.

Streaming-Kamerafunktionen

Bei Bildverarbeitungs-Streaming-Anwendungen fließen Bilddaten über CXP-Kabeltechnologie direkt an einen Framegrabber und einen PC oder einen Langaufzeichnungs-DVR. Benutzer können sofort auf diese Daten zugreifen, entweder für eine Echtzeitanwendung oder eine Langzeitaufzeichnung, und sind nur durch die Speicherkapazität im PC oder DVR begrenzt.

• Zu den weiteren Funktionen von Hochgeschwindigkeits-Streaming-Kameras gehören:

• Konfigurierbare Bittiefe – 8-/12-Bit, 8-/10-Bit

• Angetrieben durch CXP6-Technologie für einige Streamer, die weniger als 27 Volt verbrauchen

• GenICam-Konformität für einfache Integration

• Kompatibilität mit PCIe3 CXP6 Framegrabbern

• GPIO bietet allgemeine und erweiterte Signalisierungsfunktionen

• Skalierbare Datenübertragung für reduzierten Datenbedarf

Eisenbahninspektion: Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras haben das Potenzial, die Art und Weise, wie Eisenbahnsysteme inspiziert werden, zu verändern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bildverarbeitungskameras, die im Laufe des Jahres wertvolle Zeit durch Regen, Schnee oder Staubstürme verlieren, bieten Streaming-Kameras die hohe Bildrate, Auflösung und Lichtempfindlichkeit, die für den Durchblick bei schwierigen Wetterbedingungen erforderlich sind. Im Gegensatz zu den meisten Kameras verarbeiten sie auch weißes Licht ohne den Einsatz zusätzlicher Objektivfilter.

Weitere aufstrebende Anwendungsbereiche für Streaming-Kameras sind die Biowissenschaften, beispielsweise die Zelldiagnostik; Identifizierung und Hämolyse von Fläschchen; Ballistische Tests; Laserschweißen; und 3D-Druck.

Dieser Artikel wurde von Uma Gobena, Vision Application Engineer, Vision Research (Wayne, NJ) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier  .