Bildverarbeitung: Unverzichtbares Element der Automatisierung für Industrie und Robotik

Bildverarbeitung, auch als „Machine Vision“ bezeichnet, ist in der Industrie eine mittlerweile etablierte Methode, die man sich am besten als automatisierte Sichtprüfung für die laufende Produktion vorstellen kann. Wer eine Fertigung mit hohen Stückzahlen rationalisieren und gleichzeitig alle Teile prüfen will, kommt an der Automatisierung der Prüftechnik nicht vorbei. Kameras, Beleuchtung, Abbildungsoptik, digitale Schnittstellen für den Datentransport zu einem Industrie-PC und die darauf laufenden Verfahren der digitalen Bildverarbeitung sind die wesentlichen Systemkomponenten einer modernen „Machine Vision“-Prüfstation. Es gibt mittlerweile mehrere Hundert Unternehmen in Deutschland, die ausgereifte, industrietaugliche Bildverarbeitungslösungen anbieten können. Viele haben sich auf bestimmte Industriezweige spezialisiert, z.B. auf die Automobilindustrie, den Pharmabereich, die Elektro- und Elektronik-Industrie, die Logistik oder die metallverarbeitende Industrie.

Bildverarbeitung ist aber nicht nur in der Qualitätskontrolle im Einsatz, sondern auch beim Lesen von Codierungen (Barcodes, Data-Matrix-Codes, Klarschrift), in der Fertigungstechnik bei der Kompensation von Lage- und Positionstoleranzen, in der Handhabungstechnik (Robotik), z.B. bei Pick-and-Place-Anwendungen, bei der Palettierung oder bei der definierten Aufbringung von Kleberaupen, und auch in der Regelungstechnik, z.B. bei Schweißprozessen. Bei der Qualitätskontrolle ermöglichen Bildverarbeitungslösungen die Umsetzung definierter, objektivierbarer Prüfkriterien, die im Prozess stets gleichbleibend abgeprüft werden. Bei Kontrollpersonal hingegen sind Schwankungen bei der Prüftiefe unvermeidbar, bedingt durch unterschiedliche kognitive Fähigkeiten, Ermüdung und andere individuelle Einflussfaktoren.

Nicht jede visuelle Prüfaufgabe ist für eine Bildverarbeitungslösung geeignet, denn ein industrieller Anwender erwartet sehr geringen Schlupf, aber gleichzeitig geringen Pseudoausschuss in der Fertigung. Im Einzelfall muss sorgfältig geprüft werden, ob die gewünschten Anforderungen erfüllt werden können. Da Fertigungsprozesse immer auf die konkrete Produktion abgestimmt sind, können Prüfmethoden der Bildverarbeitung nur teilweise verallgemeinert werden, so dass in jedem individuellen Fall ein Applikationsspezialist die Machbarkeit bewerten muss. Die deutsche Bildverarbeitungsindustrie ist jedoch gut aufgestellt, und ein Anwender hat gute Aussichten, einen kompetenten Ansprechpartner zu finden, gleichgültig in welchem Industriezweig das Prüfproblem angesiedelt ist.

Auch wenn es sich um eine erprobte, industrietaugliche und etablierte Technologie handelt, ist industrielle Bildverarbeitung kein einfaches Feld. Es genügt nicht, eine Kamera und eine Software zu kaufen oder auf eine Open-Source-Bibliothek zurückzugreifen, um zu einer tragfähigen Bildverarbeitungslösung zu kommen. Für die Robustheit und die stabile Funktionalität müssen viele Aspekte aus verschiedenen Ingenieurgebieten beachtet und anwendungsbezogen kombiniert werden, denn eine Bildverarbeitungsstation ist ein Hybridsystem, bei dem Maschinenbau, Feinwerktechnik, Optik, Beleuchtungstechnik, Elektromechanik und Elektronik, Datenverarbeitung, Softwareengineering und Algorithmen zusammenwirken. Das ist definitiv eine anspruchsvolle Aufgabe für speziell geschulte, erfahrene Systemingenieure.

Glücklicherweise ist die grundsätzliche Methodik der industriellen Bildverarbeitung jedoch konzeptionell nicht schwierig, auch wenn die ingenieurgemäße Umsetzung sehr komplex sein kann. Wer daher solche Systeme spezifizieren muss, dabei mit Anbietern verhandelt und die Umsetzung begleiten soll, ist gut beraten, sich einen Überblick über die Grundlagen der industriellen Bildverarbeitung zu verschaffen. Auf dieser Basis sind dann Gespräche auf Augenhöhe möglich – eine gute Voraussetzung für erfolgreiche Projekte. Wichtig ist dabei die präzise Definition der Anforderungen sowie der Verfahren, mit denen schließlich die Funktionstüchtigkeit der Anlage nachgewiesen werden kann. Ein grundsätzliches Verständnis der Grenzen und Möglichkeiten der industriellen Bildverarbeitung ist dabei hilfreich. „Machine Vision“ ist eine erklärungsbedürftige Technologie.

Bildverarbeitung oder „Machine Vision“ wird immer weiter in die industrielle Fertigung eindringen. Jeder Ingenieur, der in der Automatisierungstechnik tätig ist, wird sich über kurz oder lang mit Bildverarbeitung beschäftigen müssen. Auch bei Anwendungen im Außenraum ist die „Machine Vision“ im Vormarsch. Beim LKW-Mautsystem, im Pfandflaschen-Automaten im Supermarkt, in der Landwirtschaft, bei der Personenkontrolle per Gesichtserkennung am Flughafen oder bei Fahrerassistenzsystemen ist Bildverarbeitung bereits etabliert, und viele weitere Anwendungen werden folgen.

Autor des Artikels:

Prof. Dr. Christoph Heckenkamp, Hochschule Darmstadt, Studiengang Optotechnik und Bildverarbeitung (OBV)