Bildverarbeitung mit NI-Produkten

Seit über 30 Jahren ist National Instruments einer der Marktführer auf dem Gebiet der Mess- und Automatisierungstechnik und stellt Ingenieuren und Wissenschaftlern auf der ganzen Welt leistungsstarke Hardware- sowie flexible Softwareplattformen zur Verfügung. Vor mehr als 10 Jahren ergänzte NI seine Angebotspalette um Produkte für die industrielle Bildverarbeitung. Die NI-Plattform für die industrielle Bildverarbeitung umfasst vielfältige Hardwareoptionen, von Framegrabbern für PCI- bzw. PXI-Systeme bis hin zur NI Smart Camera. Softwareoptionen beinhalten u. a. Treiber für die Bilderfassung mit Hunderten von Kameras, eine erstklassige Bibliothek für die Bildverarbeitung sowie eine konfigurierbare Entwicklungsumgebung für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen.

Vorteile der industriellen Bildverarbeitung

Ingenieure und Wissenschaftler nutzen industrielle Bildverarbeitungsanwendungen, da diese im Gegensatz zu traditionellen Sensoren und Messwerkzeugen über besondere Funktionen verfügen. Mit Hilfe dieser Bildverarbeitungssysteme lassen sich zu 100ÿfehlerfreie Kontrollen realisieren. Die Prüfung erfolgt berührungslos und bei Bedarf können mehrere Merkmale analysiert werden.

Als Beispiel dient ein Fließband, auf dem Objekte mit einer Geschwindigkeit von 300 Teilen pro Minute befördert werden. Es soll die Breite dieser Objekte gemessen werden, während sie über das Fließband laufen. Unter Verwendung herkömmlicher Werkzeuge müsste ein Messschieber eingesetzt werden, um ein präzises Messergebnis zu erzielen. Mit dieser Methode können jedoch nicht alle Teile gemessen werden, sondern nur stichprobenartig jedes x-te Teil. Der Prüfer benötigt mehrere Sekunden, um das Teil vom Fließband zu nehmen, es zu vermessen und wieder auf dem Band abzulegen. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass Teile beschädigt werden, wenn sie vom Maschinenführer vom Band entfernt bzw. wieder dort platziert werden. Der Einsatz industrieller Bildverarbeitung ermöglicht die Überprüfung jedes einzelnen Teils anstelle von Stichproben. Da Werkzeuge für die industrielle Bildverarbeitung zerstörungsfrei arbeiten, werden Teile während des Prüfens nicht beschädigt. Gleichzeitig lassen sich hochpräzise Messergebnisse erzielen.

Abb. 1: Beispiele für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen

Viele weitere Aufgaben können mit traditionellen Sensoren entweder gar nicht oder nur eingeschränkt durchgeführt werden. Die Überprüfung von Etiketten, das Abzählen von Medikamenten, das Lesen und Überprüfen von Text auf Verpackungen, das Lesen von Bar- und 2D-Code etc. sind Aufgaben, die sich mit Hilfe flexibler industrieller Bildverarbeitungssoftware sowie leistungsstarker Hardware problemlos durchführen lassen. Es ist zwar möglich, viele Anwendungen unter Einsatz traditioneller Werkzeuge zu realisieren, jedoch wird die Ausführung einer Anwendung durch die industrielle Bildverarbeitung stark vereinfacht. So kann z. B. ein unter Druck stehender Behälter auf Temperaturschwankungen überwacht werden, indem Thermoelemente über den gesamten Behälter verteilt angebracht und überwacht werden. Bei der industriellen Bildverarbeitung überwacht eine Infrarotkamera den gesamten Behälter, während die Software die genaue Temperatur an jedem Punkt des Behälters ermittelt.

Bildverarbeitungshardware von NI

Die vielseitigen Hardwareoptionen von NI bieten Anwendern, entsprechend ihren Anforderungen, stets Systeme mit optimalem Preis-Leistungs-Verhältnis. Die Hardwareplattform ermöglicht den Einsatz von PCs, Panel-PCs, PXI- und Compact-Vision-Systemen sowie Smart Cameras als Bildverarbeitungssysteme. Darüber hinaus entwickelt NI kontinuierlich weitere Optionen.

Bei den Bilddatenerfassungskarten (Framegrabber ) haben Anwender eine große Auswahl bezüglich der Kameraschnittstelle. Werden NI-Framegrabber verwendet, können Kameras mit Standard-Analog-, Nichtstandard-Analog-, LVDS-, RS-422-, Camera-Link-, IEEE-1394- und GigE-Vision-Schnittstellen für die Bilderfassung eingesetzt werden.

In einem PC-basierten System haben Framegrabber den Vorteil, dass sie eine äußerst hohe Busbandbreite zur Verfügung stellen und sich einfach mit weiteren Komponenten synchronisieren lassen, so u. a. mit Motorsteuerung oder analoger Schwingungsanalyse im Bereich Maschinenüberwachung.

Weitere Informationen zu den verschiedenen Bussen und ihren jeweiligen Vorteilen entnehmen Sie bitte der Seite „Auswahl der geeigneten Kameraschnittstelle für Ihr Bildverarbeitungssystem“. Im Hinblick auf Systembusse unterstützt die Bildverarbeitungshardware von NI PCI Express und PXI.

Abb. 2: NI-Framegrabber

Sind robustere Bildverarbeitungssysteme mit kompaktem Formfaktor gefragt, wird häufig ein NI Compact Vision System oder eine NI Smart Camera eingesetzt. Es können bis zu drei IEEE-1394-Kameras (DCAM-Standard) mit dem Compact Vision System verwendet werden. Somit können, genau wie bei Framegrabbern, Kameras mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich Bildfrequenz, Dynamikbereich, Auflösung etc. angebunden werden. Ein weiterer Vorteil des Compact Vision System sind die 29 Digital-I/O, die in Form eines FPGA integriert sind. Aufgrund dessen lässt sich ein präzises und benutzerdefiniertes Timing realisieren, z. B. bei der Triggerung von Kameras und externen Beleuchtungskomponenten. NI bietet drei Versionen des NI Compact Vision System mit unterschiedlichen Speichergrößen und Prozessorgeschwindigkeiten an. Weitere Informationen erhalten Sie auf der Seite NI Compact Vision System.

Abb. 3: NI Compact Vision System (links) und NI Smart Camera sind zwei robuste Lösungen für die industrielle Bildverarbeitung von National Instruments.

Die neue Smart Camera NI Smart Camera vereint einen hochwertigen CCD-Bildsensor mit einem PowerPC-Prozessor und standardisierten Schnittstellen in einem robusten und kompakten Format. Smart Cameras eignen sich insbesondere für industrielle Anwendungen, deren Priorität einfache Handhabung und Robustheit ist. Häufig werden sie als Identifikations- oder einfaches Bildverarbeitungssystem in der produzierenden Industrie verwendet. Besuchen Sie die Seite NI Smart Camera für Tutorien, Spezifikationen und weitere Informationen.

Bildverarbeitungssoftware von NI

Die Produktpalette von National Instruments umfasst drei Softwareprodukte für die industrielle Bilderfassung und -verarbeitung. Die Software NI Vision Acquisition ermöglicht die Erfassung, Visualisierung und Sicherung von Bilddaten. Der Treiber enthält eine Programmierschnittstelle und zahlreiche Beispiele für die gängigsten Entwicklungsumgebungen und ist kompatibel mit Hunderten von Kameras. Eine Liste der unterstützten Kameras entnehmen Sie bitte dem Industrial Camera Advisor. Die Software NI Vision Acquisition ist sowohl im Lieferumfang aller Bildverarbeitungshardware von NI als auch im NI Vision Development Module und NI Vision Builder for Automated Inspection (AI) enthalten.

Das Vision Development Module besteht aus einem Prototyping-Werkzeug zur Entwicklung der richtigen Verfahrensstrategie und Funktionen zur Erweiterung der Programmiersprachen um Bildverarbeitungsalgorithmen. Das Modul ist kompatibel mit NI LabVIEW, LabWindows™/CVI, C, C++, Microsoft Visual Basic und Microsoft .NET. Somit können Entwickler in ihrer vertrauten Entwicklungsumgebung Bildverarbeitungsanwendungen programmieren.

Abb. 4: NI Vision Development Module in LabVIEW (links) und NI Vision Builder AI

Der Vision Builder AI ist eine konfigurierbare Software, mit der auch ohne langjährige Erfahrung in der Bildverarbeitung und ohne Programmierkenntnisse in kürzester Zeit Anwendungen erstellt und ausgeführt werden können. Die Funktionen zur Bilderfassung, Vorverarbeitung, Analyse, Entscheidungsfindung und Kommunikation der Resultate über verschiedene Schnittstellen müssen nur noch konfiguriert und parametriert werden. Über ein Zustandsdiagramm erhält der Entwickler ein offenes Prozeßmodell, in dem wie in einer Programmiersprache Verzweigungen und Schleifen konfiguriert werden können. Es ist zudem möglich, den Vision Builder AI mittels der ActiveX-Schnittstelle von einer übergeordneten Software zu steuern. Der Funktionsumfang des Vision Builder AI ist erweiterbar, so daß z. B. LabVIEW-Programme eingebunden oder eigene Plug-Ins geschrieben werden können. Somit haben Anwender die Möglichkeit, eigene Algorithmen bzw. eigenes Know-how zu integrieren.

Bildverarbeitungssoftware von NI ist vielfältig einsetzbar. Zu typischen Aufgabenstellungen gehören nicht nur das Prüfen auf Maßhaltigkeit, Identifizieren, Verifizieren, Klassifizieren und Sortieren, sondern auch X-Ray, Oberflächeninspektion, Positionierung und Farbprüfung. Die Seite NI Vision Builder AI enthält Demos, Whitepapers sowie einen Link zum Herunterladen der Evaluierungsversion der Software.

Unübertroffene Skalierbarkeit

Die Hard- und Softwareplattformen von National Instruments bieten maximale Skalierbarkeit. Je nach Anwendungsanforderung bietet die Produktpalette von NI optimal geeignete Systeme. Sowohl das Vision Development Module als auch der Vision Builder AI unterstützen die gesamte NI-Hardwareplattform. Die Plattform ist aufwärts skalierbar und kann an modifizierte Systemanforderungen angepaßt werden. Anwender können einfach eine andere Option innerhalb der NI-Hardwareplattform auswählen und weiterhin ihren bereits bestehenden Programmcode verwenden.

Die Bezeichnung LabWindows ist lizensiert von der Microsoft Corporation.

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