Bildverarbeitungssysteme mit LabVIEW Real-Time

Für die Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems bietet LabVIEW Real-Time eine Umgebung zur Erstellung einer umfassenden deterministischen Steuerung und Regelung. Da das zugrunde liegende Echtzeitbetriebssystem aus einem vereinfachten Kernel besteht, ist die Wahrscheinlichkeit von Wartezeiten oder Verzögerungen, die durch unterbrochene Dienstroutinen verursacht werden, geringer. Auf LabVIEW Real-Time basierende Bildverarbeitungssysteme lassen sich einfach in andere Mess- und Automatisierungsanwendungen integrieren. So können Anwender Hochgeschwindigkeitsverbindungen in einem PXI-Gehäuse für anspruchsvolle Messfunktionen nutzen und damit die Kommunikation der Module untereinander erleichtern, ohne dass das Host-System eingreifen muss.

Einleitung

Infolge der ständigen Fortschritte in der Prozessortechnologie werden Bildverarbeitungssysteme immer leistungsfähiger und kostengünstiger. An Produktionsanlagen von Automobilherstellern reagieren Roboter mühelos auf die Befehle der montierten Kameras. Die Zuverlässigkeit des Systems führt schließlich zu einem gesteigerten Produktionsdurchsatz und erhöhter Sicherheit. Ausfälle können Kosten in Millionenhöhe verursachen und falsche Bewegungen gefährden die Sicherheit der Beschäftigten. Für einen Betrieb mit einem hohen Produktionsdurchsatz bedeutet ein zuverlässiges Bildverarbeitungssystem also nicht nur eine gesteigerte Produktion, sondern auch erhöhte Sicherheit.

Leistungsmerkmale von Echtzeitsystemen

Die Verarbeitung von und Reaktion auf Daten erfolgt bei Echtzeitsystemen innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls. So wird ein Echtzeitsystem zwar als deterministisches System betrachtet; dies bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass es auch schnell ist. Manche Echtzeitanwendungen liefern Daten in Echtzeit, brauchen dafür aber einige Sekunden. Während dies für den Normalverbraucher ausreicht, ist das für eine Anwendung in der Servotechnik natürlich viel zu lange. Beide Systeme haben unterschiedliche Zeitanforderungen und beide arbeiten in Echtzeit, vorausgesetzt die Reaktionszeit ist festgelegt. Was ein Echtzeitsystem ausmacht, ist die Gleich- und Rechtzeitigkeit des Prozessablaufs. Damit begrenzt ein Echtzeitsystem die Reaktionszeit, die unter Umständen relativ kurz sein kann, auf einen bestimmten Höchstwert.

Aufbau eines Bildverarbeitungssystems mit LabVIEW Real-Time

Ein Embedded-Bildverarbeitungssystem setzt sich aus mehreren Bestandteilen zusammen. Zunächst wird ein Entwicklungsrechner, der sogenannte Host-Computer, benötigt. Mit diesem lässt sich die gesamte notwendige Softwareentwicklung vornehmen, einschließlich der Erfassung von Musterbildern sowie der Prototypenentwicklung und anschließender Leistungstests der Bildverarbeitungssoftware. Sobald der Anwender mit der prototypisierten Bildverarbeitungsanwendung zufrieden sind, lädt er den Code auf einen robusten Embedded-Computer mit einem Echtzeitbetriebssystem. Anschließend wird mithilfe des Vision Builder LabVIEW-Code generiert. Dieser Code kann geändert und um zusätzliche Funktionen wie zum Beispiel zur Datenerfassung, Fernüberwachung oder Motorsteuerung erweitert werden. Danach kann der Code auf das Zielgerät, den Embedded-PXI-Controller, heruntergeladen werden. Der Betrieb des PXI-Systems erfolgt unabhängig vom Host-Rechner. Das Echtzeitbetriebssystem auf dem PXI-Zielrechner gewährleistet die Zuverlässigkeit des Systems. Zur Überwachung der Prüfanwendung können Bilddaten dann über Ethernet an den Host-Rechner weitergeleitet werden. Echtzeitbilddaten lassen sich zusammen mit grafischen und textbasierten Überlagerungen sowie Text über den Monitoranschluss am PXI-Controller anzeigen.

Echtzeit-Bildverarbeitungssystem

Prüfsysteme und datengesteuerte Funktionen

LabVIEW Real-Time mit Datenerfassungsfunktionen bietet eine Umgebung für umfassende deterministische Steuerung. Im Gegensatz dazu ist ein Embedded-Bildverarbeitungssystem nicht deterministisch, da Bildverarbeitungsalgorithmen naturgemäß nicht deterministisch sind. Die Geschwindigkeit eines bestimmten Bildverarbeitungsschritts wird vielmehr durch den Bildinhalt als durch die Bildgröße bestimmt. Die Laufzeit datengesteuerter Algorithmen ist stets unbegrenzt. Die Teilchenanalyse für ein Bild mit drei Partikeln geschieht beispielsweise schneller als die Verarbeitung eines Bildes derselben Auflösung mit sieben Partikeln. Dieser Unterschied in der Berechnungszeit wird mit steigender Bildvarianz und mit der Anwendung mehrerer zeitvarianter Funktionen zur Verarbeitung und Analyse größer.

Um mit diesem fehlenden Determinismus umgehen zu können, sollte auch der ungünstigste Fall getestet werden. Dafür wird ein Bild mit der maximalen Anzahl von Partikeln unter Verwendung der Bildverarbeitungsschritte analysiert und anschließend in Beziehung zur Geschwindigkeit gesetzt. Anhand dieser Methode wird die Obergrenze bzw. die Reaktionszeit des Systems bestimmt.

Von den zahlreichen Funktionen der Bildverarbeitungssoftware IMAQ sind einige weniger variabel. Diese Funktionen, wie z. B. die Ermittlung des Schwellwerts für die Bilderfassung, sind nicht vollkommen datengesteuert und deshalb weniger zeitvariant. Mithilfe der Schwellwertfunktion erfolgt die Bildverarbeitung mit wesentlich geringerem Jitter, solange es sich um die gleiche Bildgröße und den gleichen Bildtyp handelt. Viele Bilderfassungsfunktionen fallen unter diese Kategorie, da sie unabhängig vom Bildinhalt für jedes einzelne Pixel des Bildes eine diskrete Funktion durchführen.

Integration in andere Mess- und Automatisierungskomponenten

Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen den Modulen in einem PXI-Gehäuse erlauben die Realisierung anspruchsvoller Messfunktionen und erleichtern die Kommunikation der Module untereinander, ohne dass das Host-System eingreifen muss. Ein Triggerbus mit acht Kanälen verbindet alle PXI-Steckplätze eines Bussegments. So kann eine Interaktion zwischen mehreren Modulen stattfinden und die Geräte können sich gegenseitig direkt über die Hardwareleitungen überwachen und steuern. Der lokale Bus wird zur Rechten und zur Linken jedes Steckplatzes definiert. Er besteht aus 13 Kanälen, die jedem Modulsteckplatz für die private Kommunikation zwischen benachbarten Steckplätzen zur Verfügung stehen. Paarweise angeordnete Peripheriegeräte können analoge oder digitale Signale mithilfe des lokalen Busses austauschen. Ein Beispiel dafür wäre die Übermittlung von Trigger-Informationen an Datenerfassungs-, Motorsteuerungs- und Bildverarbeitungsgeräte und somit die simultane Erfassung von Spannungssignalen, Positionskoordinaten und Bilddaten.

Kostengünstige und zuverlässige Systeme

Fertigungsverfahren, die sich häufig auf die Überwachung durch den Menschen oder kostenintensive und proprietäre Bildverarbeitungssysteme stützen, können jetzt von den kostengünstigen, benutzerfreundlichen Embedded-Hochgeschwindigkeitssystemen für die Bildverarbeitung profitieren.

Weitere Informationen:

Was wird benötigt, um IMAQ Vision unter LabVIEW RT einzusetzen?

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