Bildauswertung - Fraunhofer IOSB - Fraunhofer

IITB
vis IT
[Bildauswertung]
1/2005
Essay:
Zukunftsfähige industrielle Bildverarbeitung
Realzeit-Bildstabilisierung
und Erzeugung von Übersichtsbildern
Industrielle Sichtprüfung
im Geschäftsfeld SPR
Forum visio|tec:
Hochauflösend und in Farbe
Alle Informationen auf einen Blick
www.iitb.fraunhofer.de
ISSN 1616-8240
Inhalt
Essay
Seite 4
Zukunftsfähige industrielle Bildverarbeitung
Michael Heizmann
Themen
Seite 6
m3 -motion
Realzeit-Bildstabilisierung und Erzeugung von Übersichtsbildern
Norbert Heinze
Seite 8
Industrielle Sichtprüfung im Geschäftsfeld SPR
Detlef Paul
Seite 10
Forum: Hochauflösend und in Farbe
Richard Mertens, visio|tec
Seite 12
Alle Informationen auf einen Blick
Ralf Eck
Infothek
Seite 14
Arbeitskreis: Bildgewinnung und Auswertung
Seite 15
Messeauftritt Control
Neue Köpfe: Dr. Längle
Impressum
vis IT
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Editorial
Liebe Freunde des IITB,
Die visuelle Wahrnehmung der Umwelt
spielt für den Menschen in fast jeder
Situation eine ganz zentrale Rolle.
Technisch-wissenschaftliche Bestrebungen, diesen „Leitsinn“ in automatisch
arbeitenden Systemen zu realisieren
– wenn auch nur in Teilaufgaben und
sehr beschränkt – üben deshalb auf
den Menschen eine besondere Faszination aus. Am IITB sind es gleich vier
Geschäftsfelder und eine Forschungsgruppe, die sich für dieses Thema begeistern und die sich anwendungsorientiert wissenschaftlich mit Fragen der
Bildgewinnung und Bildauswertung
auseinander setzen.
Neben Faszination bietet das Gebiet
aber auch eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten mit hohem ökonomischem Potenzial. Automatische Sichtprüfung und Bildauswertung sind seit
vielen Jahren eine verlässliche Wachstumsbranche mit zweistelligen Zuwachsraten, wobei bis heute nur ein
Bruchteil der wirtschaftlich sinnvollen
Einsatzmöglichkeiten erschlossen ist.
Diese Ausgabe von vis IT gibt einen
Einblick in die vielgestaltigen Aktivitäten des IITB rund um die automatische
Sichtprüfung und Bildauswertung.
In seinem Essay „Zukunftsfähige industrielle Bildverarbeitung“ bespricht
Dr. Michael Heizmann das gemeinsame
Potenzial zweier unterschiedlicher Teilgebiete: der automatischen Sichtprüfung mit ihren wohlkonstruierten Aufnahmekonstellationen auf der einen
Seite und der visuellen Umweltwahrnehmung mit nur beschränkt steuerbarer Bildgewinnung auf der anderen
Seite.
In den Artikeln der Herren Dr. Detlef Paul
und Dipl.-Inform. Norbert Heinze werden zwei Echtzeitbildauswertesysteme
für den harten industriellen Einsatz vorgestellt. Über den Gastbeitrag „Hochauflösend und in Farbe“ von Herrn
Richard Mertens, dem Geschäftsführer
unserer Partner-Firma Uhlmann VisioTec
GmbH, freuen wir uns ganz besonders.
Zeigt er doch beispielhaft den hohen
Nutzen, den unsere Systeme in industriellen Applikationen entfalten.
Abgerundet wird das Heft mit „Alle
Informationen auf einen Blick“, in dem
Dipl.-Geophys. Ralf Eck einen großflächigen digitalen Leuchttisch vorstellt,
der eine lokale Darstellung höchster
Auflösung mit Hilfe des am IITB entwickelten Echtzeitkonzeptes der FoveaTabletts erlaubt.
Eine anregende Lektüre wünscht
Ihnen Ihr
Jürgen Beyerer
Karlsruhe, im Juni 2005
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Jürgen Beyerer
Essay
Zukunftsfähige industrielle Bildverarbeitung
Gemeinsame Potenziale aus der automatischen Sichtprüf
Das Wachstum industrieller Bildverarbeitung beeindruckt: Seit einigen Jahren
werden regelmäßig Umsatzzuwächse
um die 15% pro Jahr erzielt, womit
sich dieser Industriezweig an die Spitze
der Automatisierungstechnik setzt.
Trotzdem gehen Branchenkenner davon aus, dass bislang nicht mehr als
15-20% der möglichen Anwendungen
erschlossen sind. Wo liegen denn nun
Zukunftsfelder, die solches Wachstum
versprechen?
K O N TA K T
Dr. Michael Heizmann
Leiter der Forschungsgruppe
Variable Bildgewinnung
und -auswertung VBV
Fraunhofer IITB Karlsruhe
Telefon: 07 21/60 91-3 29
[email protected]
www.iitb.fraunhofer.de/VBV
Einige der Technologietrends folgen
direkt aus konsequenter Weiterentwicklung und Standardisierung vorhandener
Technologien. Steigerung der allgemeinen Leistungsfähigkeit, Miniaturisierung in Intelligenten Kameras, fehlertolerantes Verhalten und verbesserte
Benutzbarkeit betreffen Fortschritte,
die in allen Gebieten der Informationstechnik Einzug halten. Standardisierung
bei Schnittstellen (z. B. IEEE1394 – FireWire, CameraLink, USB 2.0) und Kommunikationsprotokollen (z. B. das in
Karlsruhe mitentwickelte ARIKT) sorgt
für verbesserte Interoperabilität von
Komponenten unterschiedlicher Hersteller und ermöglicht somit erschwingliche kundenspezifische Produkte. Der
Ersatz klassischer CCD-Kameras durch
CMOS-Sensoren eröffnet Chancen, bei
hoher Dynamik und geringem Energiebedarf grundlegende Signalverarbeitungsschritte in den Sensor zu verlagern.
Dies alles erweitert die Einsatzmöglichkeiten bildgebender Sensoren.
Darüber hinaus lassen sich zwei Trends
zur Konvergenz mit benachbarten
Technikbereichen identifizieren: der
Robotik und der Umfeldwahrnehmung.
Die Kombination von Robotik und Bild-
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verarbeitung bietet die Möglichkeit,
eine statische Aufnahmesituation zum
dynamischen »Hinsehen« zu erweitern.
Dabei sind die erzielbaren Vorteile bei
weitem nicht auf eine Erweiterung des
Gesichtsfeldes beschränkt. Durch Roboter lassen sich Beleuchtungsquellen
und Kameras fast beliebig im Raum
positionieren, so dass auch komplex
gestaltete Objekte der automatischen
Sichtprüfung zugänglich werden.
Der zweite Aspekt betrifft die Überwindung des prinzipiellen Unterschiedes
zwischen industrieller Bildverarbeitung
und bildgestützter Umfeldwahrnehmung: Während im Umfeld der Automation und Qualitätssicherung die Aufnahmeanordnung mit ihren Einstellungen meist anpassbar oder zumindest
bekannt ist, besteht bei der Umfeldwahrnehmung die Herausforderung
darin, dass die Aufnahmeparameter
teilweise unbekannt sind, kaum Eingriffsmöglichkeiten bestehen und somit
robustere Systeme unabdingbar sind.
Bislang hat sich die industrielle Bildverarbeitung denn auch meist auf solche
Aufgaben konzentriert, bei denen das
Sensorumfeld in der Kontrolle des Entwicklers liegt: Prüfstationen im Produk-
ung und visueller Umfeldwahrnehmung
tionsumfeld, bei denen neue Produkte
in ausgezeichneter Lage definiert beleuchtet werden. Anwendungen, die
sich nicht mit solchen Einschränkungen
betreiben lassen – z. B. Demontagestationen – haben demgegenüber eher
ein Nischendasein geführt. Hier kann
die industrielle Bildverarbeitung durch
Übernahme von Konzepten der Umfeldwahrnehmung wesentlich dazulernen
und an Flexibilität gewinnen. Durch
robustere Verfahren lassen sich beispielsweise wechselnde Produkte und
Varianten zuverlässiger prüfen.
Vorgehensweise sinnvoll inspizieren.
Bei ausgedehnten Objekten besteht
beispielsweise der momentan übliche
Weg darin, geplant mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichen Kamerapositionen zu erfassen und als »Bildteppich« zu einem Gesamtbild zu
kombinieren. Genauso kann die Reflexionsfunktion bei Oberflächen mit richtungsabhängigem Verhalten über den
gesamten möglichen Winkelbereich
aufgenommen und ausgewertet werden und so die interessierende Oberflächeneigenschaft liefern.
Aus der Kombination solcher Verfahren
und der aktiven Gestaltung der Bildaufnahme folgt eine Synthese zur
»Active Vision«, bei der die Aufnahmeeinstellungen so angepasst und variiert
werden, bis die interessierende Szeneneigenschaft greifbar wird. Wie der
Mensch eine Szene so lange unter verschiedenen Blickwinkeln betrachtet, bis
er die gewünschte Information erhalten
hat, kann ein mechanisch und / oder
optisch variables System explorativ
Daten sammeln und adaptiv zu einem
Gesamtbild der Szene ergänzen.
Manche Objekte und Szenen lassen
sich erst durch eine derartige geregelte
Sind wir mit diesen Betrachtungen
bereits in der zukünftigen Praxis der
industriellen Bildverarbeitung angekommen? Bei weitem nicht! Aus der
Anwendung von Bildserien folgt die
Herausforderung, so viel Information
wie nötig durch so wenig aktive Variation der Aufnahmeparameter wie nötig
zu erhalten. Eine vollständige Parametervariation ist meist viel zu langwierig,
besonders wenn mehrere Parameter
simultan in die Auswertung eingehen
sollen. Adaptive Verfahren, die durch
robustes Auswerten einzelner Aufnahmen Strategien für die weitere Objekterfassung entwickeln, stellen hier den
einzig gangbaren Weg dar. Darüber
hinaus ist die Fusion der gewonnenen
Daten eine weitere zentrale Aufgabe,
mit der sich die Entwickler auseinanderzusetzen haben.
Es gibt also noch einiges zu tun, um diese schöne neue Zukunft zu erschließen.
Das IITB ist dabei jetzt schon in der
günstigen Position, sowohl auf ausgereifte Entwicklungen der industriellen
Bildverarbeitung als auch auf leistungsfähige Verfahren aus der zivilen und
militärischen Umfeldwahrnehmung
zurückgreifen zu können. Auf diesen
Erfahrungsschatz können unsere Kunden und Partner zählen, was neue Anwendungen und innovative Produkte
auch für die nahe Zukunft verspricht.
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Themen
m3 -motion
Realzeit-Bildstabilisierung und Erzeugung von Übersichts
Realzeit-Bildmosaik.
Die Bildzusammensetzung verschafft
einen Überblick über die Szene.
Bisher arbeiten die meisten Bildauswertungsverfahren mit Einzelbildern oder
Videobildfolgen ortsfest installierter
Kameras. In vielen Anwendungsfällen
lassen sich diese Randbedingungen jedoch nicht erfüllen.
So ist z. B. in der industriellen Sichtprüfung durch die Enge des Einbauraums
oder die Größe der Objekte nicht immer
eine Aufnahme des gesamten Bauteils
möglich. Zum anderen werden Videokameras auf schwankenden Masten
oder fahrenden bzw. fliegenden Sensorplattformen montiert, um Überwachungsaufgaben oder Übersichtsbilder
zu generieren.
K O N TA K T
Dipl.-Inform. Norbert Heinze
Für diese recht unterschiedlichen Anwendungsbereiche sind vom IITB Verfahren entwickelt worden, die auf dem
gleichen Basisprinzip beruhen: die hochgenaue Referenzierung und projektive
Autonome Systeme und
Maschinensehen ASM
Fraunhofer IITB Karlsruhe
Telefon: 07 21/60 91-2 54
[email protected]
www.iitb.fraunhofer.de/ASM
Motorgehäuse:
Beispiel für die
Gewinnung eines
Bildmosaiks bei Aufnahme
unter beengten Verhältnissen.
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Transformation von Bildern in Realzeit
auf einem Standard PC.
Damit lassen sich gleich drei verschiedene Verfahren realisieren:
1. m3 -motion-Mosaik:
Realzeit-Generierung von Bildmosaiken aus Videobildfolgen,
2. m3 -motion-Steady:
Realzeit-Bildstabilisierung für
komplexe Kamerabewegungen,
3. m3 -motion-Detect:
Realzeit-Detektion von Bewegungen bei bewegter Kamera.
m3 -motion-Mosaik:
In Bildfolgen werden die Transformationen von Bild zu Bild hochgenau
geschätzt und die Bilder so überlagert,
dass in Realzeit ein Panorama oder
Mosaik entsteht. Hierfür ist keine
Kenntnis der Kameraparameter oder
Kalibrierung notwendig, auch Zoomen,
Rotation und Neigung der Kamera
werden automatisch berücksichtigt. Dadurch ist man in der Lage, Werkstücke
auch unter beengten Verhältnissen
aufzunehmen, oder Überwachungsaufgaben nicht anhand kleiner Videoaufnahmen, sondern mittels größerer
Übersichtsdarstellungen durchzuführen.
Weitere Anwendungen sind bei luftgestützten Sensoren die Generierung
bildern
Realzeit-Panoramabild. Links oben das aktuelle Bild der Videokamera, welches gerade am linken Rand angefügt wird.
von Übersichtsbildern, die einen kompletten Überblick über die überflogene
Szene ermöglichen.
m3 -motion-Steady:
Bei Videokameras, die auf fahrenden
oder fliegenden Plattformen installiert
sind, treten Bewegungen auf, die eine
Betrachtung oder Auswertung deutlich
erschweren. Gleiches gilt für auf Masten
installierten Kameras. Durch die genaue
Transformationsberechnung ist das Verfahren m3 -motion-Steady in der Lage,
die durch die Mastbewegung erzeugten
Bewegungsanteile herauszurechnen.
Bei fahrenden und fliegenden Plattformen ist dies jedoch nicht erwünscht, da
das Bild weiterhin der Kameraführung
folgen soll. Daher werden die hochfrequenten kleinen Bewegungen herausgefiltert und nur die tieffrequenten
generellen Kamerabewegungen belassen. Ergebnis ist ein ruhiges Bild, das in
Realzeit berechnet und ausgewertet
werden kann. Im Gegensatz zu bereits
in kommerziellen Camcordern eingebauten Stabilisierungsverfahren, die
typischerweise Bewegungen in X- und
Y-Richtung kompensieren, können von
m3 -motion-Steady auch komplexe
Bewegungen wie Rotation und Zoom
stabilisiert werden.
Weitere Anwendungsmöglichkeit ist
daher die Stabilisierung der Bilder bei
von Hand gehaltenen Videokameras.
m3 -motion-Detect:
Durch Nutzung der genauen Referenzierung ist auch eine Detektion von
Bewegungen bei bewegter Kamera
möglich.
Dies ist im Verfahren m3 -motion-Detect
realisiert. Anwendungen liegen im
wesentlichen im Überwachungsbereich,
z. B. bei auf Masten montierten Kameras mit Schwenk-Neige- und Zoomeinrichtung. Durch die Scanbewegungen
der Kamera kann ein Bereich abgesucht
werden, gleichzeitig unbefugte Personen detektiert und dem Wachpersonal gemeldet werden. Weiterer Nutzen
liegt im Bereich der Verkehrsüberwachung, in dem z. B. vom Hubschrauber oder Flugzeug aus, sich bewegende
Fahrzeuge detektiert oder auch verfolgt
werden können.
Detektion von bewegten Personen bei bewegter
Kamera. Oberes Bild: Weiße Bereiche markieren
detektierte bewegte Personen (s. roter Kreis).
Unteres Bild: Die grünen Vektoren zeigen den
Verlauf der Kamerabewegung.
Drei Zeitpunkte einer Bildfolge. Das jeweils obere Bild ist unstabilisiert. Das untere mit m3 -motionSteady gleicht den „Wackler“ im mittleren Bild aus.
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Themen
Industrielle Sichtprüfung im Geschäftsfeld SP
Automatische Blisterinspektion, Oberflächenprüfung und
K O N TA K T
Dr. Detlef Paul
Sichtprüfsysteme SPR
Fraunhofer IITB Karlsruhe
Telefon: 07 21/60 91-2 51
[email protected]
www.iitb.fraunhofer.de/SPR
Seit Jahren verfolgt das Geschäftsfeld
»Sichtprüfsysteme« des IITB eine konsequente Strategie: es entwickelt und
liefert Systeme für die industrielle Sichtprüfung und es konzentriert sich dabei
auf drei Anwendungsgebiete: die automatische Inspektion von Blistern in der
Pharmaindustrie, die automatische
Inspektion von Oberflächen und die
automatische Sortierung von Schüttgütern. Allen drei Anwendungsgebieten
ist gemeinsam, dass die Inspektion bei
hoher Geschwindigkeit »im Durchlauf«
erfolgen muß. Dementsprechend werden als bildgebende Sensoren ausschließlich hochauflösende Zeilenkameras eingesetzt. Alle von SPR
entwickelten Bildauswertesysteme
basieren auf einer gemeinsamen Plattform, dem OPTIMAT. Grundlage des
OPTIMAT sind Industrie-PCs unter Windows. Die zur Bewältigung der
Anwendungsaufgaben notwendige
Rechenleistung und Echtzeitfähigkeit
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wird durch selbst entwickelte Hardwarekomponenten und ein entsprechendes Programmsystem erzielt. Die
Vermarktung der Systeme erfolgt bevorzugt über Partnerfirmen, die als
Systemintegratoren in bestimmten
Marktsegmenten tätig sind. Zusätzlich
entwickelt SPR anwendungsspezifische
Systeme direkt für Endkunden.
Besonders erfolgreich ist das für die
Firma Uhlmann VisioTec und die Firma
Schering AG entwickelte System zur
automatischen Inspektion von Blistern
(Durchdrückpackungen) in der Pharmaindustrie (siehe Gastbeitrag). Es wird von
VisioTec unter dem Namen VisioChromHR vertrieben. Der Name macht deutlich, dass es sich um ein farbtüchtiges
System handelt; das angehängte Kürzel
»HR« bedeutet »High Resolution«.
Das System ist weltweit erfolgreich im
Einsatz; außerhalb von Europa insbesondere auch in den USA, Lateinamerika
PR
Schüttgutsortierung
Abb.1: Beispiel für ein Inspektionsbild.
Mit Hilfe spezieller Beleuchtungstechnik werden
Reflexionen an der transparenten Tiefziehfolie
vermieden. Durch Rähmchen markiert sind
fehlerhafte Dragees: eine Abplatzung und ein
gebrochenes Dragee.
und Japan. Von den entsprechenden
Produkten des Wettbewerbs unterscheidet sich das VisioChromHR zunächst dadurch, dass als bildgebender
Sensor anstatt einer einzelnen oder eines
Arrays von Flächenkameras eine hochauflösende farbtüchtige Zeilenkamera
eingesetzt wird. Dadurch ist ein sehr
kompakter mechanischer Aufbau möglich und man gewinnt Freiheiten für die
Gestaltung der Beleuchtung, die man
beim Einsatz von Flächenkameras nicht
hat. Insbesondere gelingt dadurch auch
die Inspektion von »geschlossenen
Blistern« - dabei blickt die Kamera
durch die Becher der transparenten
Tiefziehfolie des Blisters hindurch auf
die Produkte (siehe Abb. 1). Weitere
Kennzeichen des VisioChromHR sind
die besonders mächtigen und flexiblen
Verfahren zum Einlernen und Prüfen
der Produkte. Dadurch qualifiziert sich
das System für die Lösung besonders
schwieriger Anwendungsaufgaben.
Das im Geschäftsfeld Sichtprüfsysteme
entwickelte Gerät zur automatischen
Inspektion von Oberflächen nutzt eine
besondere Technik zur Bildgewinnung:
das fotometrische Stereo (siehe vis IT 3,
2003). Während des Durchlaufs der
Oberfläche werden simultan sechs Bilder mit unterschiedlicher Beleuchtung
aufgenommen. Durch Kombination der
Bilder erhält man zu jedem Flächenelement des Prüflings Information über
Farbe, Glanz und Neigung (3-D-Information). Dadurch eignet sich das System für die Lösung sehr anspruchsvoller
Prüfaufgaben. Es ist bisher in zwei Anwendungen im Einsatz: der Inspektion
von Kupferlaminaten und der Inspektion
von beschichteten Stahlbändern.
Erfreulich zugenommen haben in
jüngster Zeit die Anwendungen in der
Schüttgutsortierung. Als besonders
anspruchsvolle Aufgaben kamen hinzu:
die automatische Entfernung von Kontaminationen aus gemahlenen Kautschukgranulaten, die Entfernung von
Fremdkörpern aus Kräuter- und Früchte-
tee, die Sortierung von Altglas und
die Sortierung von Mineralien. Neben
den Anforderungen an die Sensorik
kamen neue Anforderungen an die
Systemarchitektur hinzu, weil in einigen
Sortieranlagen mehrere Sortiersysteme
unter einem übergeordneten Leitrechner
koordiniert zusammenarbeiten müssen.
Um den Anforderungen gerecht zu
werden, begann SPR mit der Entwicklung einer Folgegeneration für die
Plattform OPTIMAT und neuer Komponenten für die Schüttgutsortierung.
Abbildung 2 zeigt einen Überblick mit
den wichtigsten Neuerungen. Besonders zu erwähnen sind neue Sortierverfahren, eine adaptive Hintergrundlampe (ein »Chamäleon«, das sich der
Farbe des Produktes in einem Lernlauf
automatisch anpasst) und die Integration zusätzlicher Sensoren (in Abb. 2
ein als NE-Leiste bezeichneter Metalldetektor). Mit diesen Neuerungen sollte
es dem Geschäftsfeld gelingen, seinen
guten Platz im Markt der Schüttgutsortierung zu festigen und auszubauen.
Abb. 2: Architektur von Systemen für die Schüttgutsortierung.
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Forum
Hochauflösend und in Farbe
Mit automatischen Prüfverfahren dem Wettbewerbsdruck
Die Firma Uhlmann-VisioTec
ist Partner des IITB
Der Wettbewerbsdruck in der pharmazeutischen Industrie ist hoch. Bedingt
durch die wachsende Artikelvielfalt
und zunehmendes Preisdumping wird
die Einhaltung von Qualitätsstandards
zum Erfolgskriterium. Ein Weg dahin
führt über automatische Bildauswertesysteme.
Autor Richard Mertens
ist Geschäftsführer der Uhlmann
VisioTec GmbH, Laupheim.
Uhlmann VisioTec GmbH
Uhlmannstraße 14-18
88471 Laupheim
Telefon: +49 (0) 73 92/7 02 - 0
Fax: +49 (0) 73 92/7 02 - 5 39
www.uhlmann-visiotec.com
Lückenlose Prozesskontrolle heißt die
Antwort auf die Qualitätsanforderungen im Pharmamarkt. Das schwäbische
Unternehmen Uhlmann VisioTec GmbH
hat sich diese Losung auf die Fahnen
geschrieben. Die Tochtergesellschaft der
Uhlmann Pac-Systeme GmbH & Co. KG
in Laupheim orientiert sich ausschließlich an den Bedürfnissen der pharmazeutischen Branche und setzt auf
Automatisierung und Inline-Kontrolle.
Um Fehlern in den Verpackungseinheiten, in Fachkreisen Blister genannt,
möglichst frühzeitig auf die Spur zu
kommen, inspizieren die Laupheimer
mit hochauflösenden Kamerasystemen
die in Blister verpackten Pillen.
»Unsere Strategie lautet hundertprozentige Qualitätskontrolle«, bekräftigt
Richard Mertens, Geschäftsführer von
Uhlmann VisioTec.
Während bei der visuellen Stichprobenkontrolle mitunter ganze Chargen vom
Band genommen werden, unterzieht
das »elektronische Auge« jede einzelne
Packung einer Prüfung und veranlasst
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bei laufender Maschine lediglich die
Ausschleusung fehlerhafter Blister. Die
Folge: Keine Produktionsunterbrechung
und insgesamt weniger Ausschuss. Ein
Bildauswerterechner verarbeitet die
Sensordaten der Kamera und meldet
jede Abweichung vom Soll-Zustand.
Der Nachteil in den Anfangsjahren:
Es wurden lediglich Grautonkameras
eingesetzt, die keine Farbunterschiede
erfassen konnten.
Das sollte sich schnell ändern. Denn ein
Stammkunde von Uhlmann, der Berliner
Pharmaziehersteller Schering, zeigte
großes Interesse an der Entwicklung
eines farbtüchtigen Systems. Wie aber
sieht ein zukunftssicheres Inspektionssystem aus?
Entscheidende Ideen dazu lieferte das
Fraunhofer-Institut für Informationsund Datenverarbeitung IITB in Karlsruhe.
Klare Zielvorgabe
stärkt Kooperation
»Wir haben immer wieder mit den
Fraunhofer-Forschern diskutiert«,
erinnert sich Mertens, »und waren
schließlich überzeugt, gemeinsam
den Schritt in neues Land zu wagen«.
Die Partner gaben sich eine klare Zielvorgabe: Die zukunftssichere BlisterPrüfung gelingt nur mit hochauflösenden Kameras und echter Farberkennung. Dazu ein Rechnersystem auf
standhalten
VisioChromHR bei der Prüfung offener Blister:
Hochauflösende Blisterprüfung mit 2048 Farbpixel pro Zeile.
VisioChromHR bei der Prüfung geschlossener
Blister (Blick von unten).
PC-Basis, das sich einfach und ohne
große Vorkenntnisse bedienen lässt.
Den ersten Kontakten folgten rasch
Taten. Schon nach kurzer Zeit lieferten
die IITB-Wissenschaftler ein Erkennungssystem, das nach den Spezifikationen
der Uhlmann-Ingenieure konfiguriert
war. Ein Bildauswertesystem auf Basis
hochauflösender Zeilenkameras erkannte an Tabletten nicht nur Formfehler, sondern auch farblich falsch
befüllte Blister. Der Durchbruch war
geschafft und Uhlmann erweiterte
sein Produktportfolio mit Systemkomponenten für die 100-prozentige InlineKontrolle pharmazeutischer Blister.
arbeitung in der Qualitätskontrolle
nachzudenken. Jedenfalls dauerte es
nicht lange und die Firmenspitze beschloss die Gründung der selbstständigen Uhlmann VisioTec. »Wir sind eine
interdisziplinäre Geschäftseinheit und
denken nicht nur in den Kategorien der
Maschinenbauer«, begründet Mertens
die Abnabelung vom Mutterunternehmen. »Jeder Anwender hat sehr unterschiedliche Erwartungen an ein Inspektionssystem«, betont der Firmenchef.
Zum Beispiel die Prüfung grauer Dragees in grauen Aluminium-Blistern.
Ähnliches gilt für das Prüfen von Klarschriftaufdrucken.
folglich für die Prüfung jeder Tablette
nur Bruchteile einer Sekunde Zeit.
»Da muss von der Signalerfassung bis
zur Auswertung alles stimmen«, betont
Mertens.
Der Schritt in Richtung rechnergestützter Verpackungskontrolle hat sich gelohnt. Sowohl in Europa als auch in
Nordamerika und Fernost begann die
Pharmabranche intensiv über Bildver-
Wenn die Pharmahersteller ihre Verpackungslinien mit voller Kraft laufen
lassen, gehen pro Stunde rund eine
Million Tabletten durch die Bearbeitungsstationen. Die Kameras haben
Damit es auch immer stimmt, dafür
nutzt Uhlmann VisioTec den guten
Draht zum IITB. Denn das Verbesserungspotenzial ist noch längst nicht
ausgeschöpft. Immer wieder tauchen
neue Spezifikationen auf, die mit etablierter Standardtechnik nicht zu lösen
sind. »Wir werden in Zukunft im Bereich der Klartexterkennung und bei
neuen Applikationen weitermachen«,
verrät Mertens. Dafür wünscht sich der
VisioTec-Chef weiterhin Synergieeffekte
aus den Geschäftsfeldern des IITB:
»Wer noch besser werden will, braucht
einen Wissenszufluss aus verschiedenen
Disziplinen«, sagt Mertens.
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Themen
Alle Informationen auf einen Blick
Der digitale Leuchttisch schafft Über- und Durchsicht
Kooperatives Entscheiden am digitalen Lagetisch.
Kartenbasierte Suche und Navigation
sind wesentlicher Bestandteil von Umweltinformationssystemen. Die in diesen Systemen verwaltete Information
ist größtenteils raumbezogen und
muss häufig zur Auswertung im geografischen Kontext, z. B. topografischen Karten oder digitalen Landschaftsmodellen, visualisiert werden.
Unterschiedliche Sichten auf die vorhandene Informationsbasis müssen von verschiedenen Personen unter hohem Zeitdruck kooperativ ausgewertet werden.
Gängige, Desktop-orientierte Bildschirmarbeitsplätze erreichen zwar die
erforderliche Detailauflösung an den
Interessenschwerpunkten, sie behindern aber die Übersicht und eignen
sich nicht für die Zusammenarbeit
größerer Teams. Großbildschirme oder
Projektionen, ob horizontal oder vertikal,
erlauben die gemeinsame Übersicht
im Team, leiden aber wiederum unter
schlechter Detailauflösung.
Ausgehend von einer integrierten kartografischen Darstellung werden verschiedene Interessensgebiete ausgewählt und in variablen Sichten
zusammengeführt. Diese Darstellung
erlaubt eine gemeinsame Entscheidungsfindung. Es ist dabei sowohl eine
ständig präsente Übersicht, als auch
hochaufgelöste Information gefordert.
Ein digitaler Lagetisch wurde konzipiert
und prototypisch realisiert. Er ermöglicht die Lagebeurteilung z. B. von
Großschadensereignissen. Ein Team
von Experten erhält neben einer großflächigen Lagesicht eine flexibel fokussierbare Detailsicht. Diese wird von
»Fovea-Tabletts« dargestellt, welche
individuelle Interaktion mit dem geo-
Visualisierungssystem
K O N TA K T
Dipl.-Geophys. Ralf Eck
Interaktive Analyse
und Diagnose IAD
Fraunhofer IITB Karlsruhe
Telefon: 07 21/60 91-3 12
[email protected]
www.iitb.fraunhofer.de/IAD
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Fovea-Tablett mit hoher Auflösung und MC-MXT-Marke zur Positionsbestimmung.
grafischen Informationssystem erlauben
und die ortsabhängige Sekundärinformation steuern.
Der digitale Lagetisch ist als Arbeitsplatz
mit einer horizontalen, tischartigen
Arbeitsfläche sowie einer vertikalen
tafelartigen Anzeige ausgelegt. Die
Horizontalkomponente dient als Kartentisch und Arbeitsfläche zur Lageübersicht und ist mit Rückprojektionstechnik
realisiert. Der vertikale Bildschirm dient
der Visualisierung von Seitenansichten.
Die Ortsauflösung auf der horizontalen
Arbeitsfläche ist aufgrund geringer
Pixeldichte nur für eine Übersichtsdarstellung geeignet. Um diesen Nachteil
zu kompensieren, wird die vom IITB entwickelte Technik des »Fovea-Tabletts«
(FT) eingesetzt. Eine oder mehrere kleine, portable Displayeinheiten, z. B. ein
Tablett-PC mit hoher Ortsauflösung,
werden auf den Kartentisch gelegt.
Über eine Messvorrichtung wird deren
Lage und Drehung bezüglich des Kartentischs bestimmt. Diese Daten werden drahtlos übertragen. Das FT stellt
dann die Abbildung so dar, dass die
Betrachter den Eindruck haben, sie
würden durch das FT hindurch auf die
Gesamtansicht blicken, mit der an dieser Stelle wesentlich höheren Auflösung.
Die FTs sind auf dem Arbeitstisch beliebig verschiebbar. Jeder Experte aus
dem Team kann seinen Interessenschwerpunkt frei und schnell mit seinem
eigenen FT wählen.
Fovea-Tablett Tracking
Jedes FT trägt auf seiner Unterseite eine
Messmarke mit integriertem Nummerncode. Eine Kamera unterhalb des digitalen Leuchttischs verfolgt alle Marken
der auf der Fläche aufliegenden FTs.
Der Nummerncode identifiziert das FT,
die Messmarke gestattet eine genaue
Positionsmessung. Zur Vermeidung von
Störeinflüssen arbeitet die Messkamera
im nahen Infrarot. Zur Identifizierung
und Vermessung kommt das vom IITB
entwickelte Multi-Cursor-MarkerXtrackT
(MC-MXT) Verfahren zum Einsatz.
Der MC-MXT-Tracker-Server arbeitet in
einer unabhängigen Kamera-RechnerEinheit als Embedded System mit einer
TCP/IP Socket Schnittstelle und XMLProtokoll. Eine interaktive Bedienung
des Systems während des laufenden
Betriebs ist nicht notwendig. Das Bild
ist auf dem FT gespeichert und es wird
der entsprechende Ausschnitt berechnet und dargestellt. Soll die Datenhaltung nur auf dem Server geschehen,
muss der Ausschnitt für das FT kabellos
und vor allem mit hoher Datenrate
übertragen werden.
Einsatzmöglichkeiten bieten sich in
der Grenz- und Geländeüberwachung,
Raum- und Stadtentwicklung, dem
Katastrophenschutz, Umweltmonitoring
oder auch der Visualisierung von Produktionsleitsystemen in der industriellen
Fertigung, um nur einige beispielhaft
zu nennen.
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Infothek
Arbeitskreis
»Bildgewinnung und -auswertung«
Seit dem Sommer letzten Jahres gibt es
am IITB den Arbeitskreis »Bildgewinnung und -auswertung«. Langfristiges
Ziel dieses Arbeitskreises ist es, die vielschichtigen Aktivitäten des IITB auf dem
Schlüsselthema der Bildverarbeitung
durch Nutzung von Synergien im Hause
voranzubringen, wobei Schwerpunkte
auf den Bereichen Industrie und Sicherheit liegen.
Der Arbeitskreis setzt sich aus Mitarbeitern derjenigen Geschäftsfelder zusammen, in deren Portfolio Verfahren der
Bildverarbeitung für unterschiedlichste
Aufgaben entwickelt und angewendet
werden.
Ein wichtiges Ziel des Arbeitskreises ist
es, geeignete Fachleute für Bildverarbeitungsaufgaben aus unterschiedlichen
Geschäftsfeldern zusammenzuführen,
Kooperationen im Bereich der Bildverarbeitung anzuregen und somit schnellere und effizientere Entwicklungen zu
ermöglichen. Um vorhandene Kompetenzen geschäftsfeldübergreifend zu
kommunizieren, wird eine webgestützte
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Kompetenzdatenbank aufgebaut und
gepflegt. Dort sind Schlüsselkompetenzen mit den jeweiligen Ansprechpartnern aufgeführt, so dass ein schneller
Erfahrungsaustausch bewerkstelligt
wird.
Ein weiterer Schwerpunkt des Arbeitskreises ist die Identifikation von zukunftsweisenden Trends in der Bildverarbeitung. Aus den Themenfeldern
»Systeme der adaptiven Bildauswertung« und »Assistenzsysteme mit
automatischer Bildauswertung« werden Projektideen erörtert und auf ihre
wissenschaftliche und wirtschaftliche
Relevanz geprüft. Damit sollen neuartige Anwendungen erschlossen und
das Zusammenwirken von industrieller
Bildverarbeitung und Bildauswertung
für den Sicherheitsbereich gefördert
werden. Zu diesem Zweck ist auch die
Durchführung oder Beauftragung von
Marktstudien denkbar.
Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Michael Heizmann
[email protected]
3-D-Fehler?
Neue Köpfe
SPR auf der Control
Dr. Thomas Längle
Bei der automatischen Inspektion von
Oberflächen kommt es auf die zuverlässige Unterscheidung zwischen qualitätsmindernden Merkmalen und zulässigen Auffälligkeiten der Oberfläche
an. In vielen Anwendungen sind beispielsweise Deformationen wie Beulen,
Dellen, Falten, Kratzer oder Stufen
nicht zulässig, während Texturen oder
Farbdifferenzen gewünscht werden.
Herkömmliche Systeme zur automatischen Inspektion von Oberflächen erlauben hier meist keine sichere Unterscheidung, weil keine verlässliche Information über das Relief der Oberfläche
zur Verfügung steht. In Folge muss
mit unberechtigt beanstandeten Teilen
(Pseudofehlern) gerechnet werden.
Auf der Fachmesse Control in Sinsheim
präsentierte das IITB das neu entwickelte System Fraunhofer-MultiScan. Das
System ist für die automatische Inspektion von Produkten im schnellen Durchlauf optimiert. Beispiele sind Bandstahl,
Baustoffe oder Kupferlaminate für Leiterplatten. Zu jedem Bildpunkt der
Oberfläche wird sowohl der Grauwert
(bzw. der Farbwert) als auch der Glanz
und die Neigung des zugehörigen
Oberflächenelements gemessen und
ausgewertet. Damit ist eine sichere
Unterscheidung von ebenen Fehlstellen
(zum Beispiel Verfärbungen) und 3-DFehlstellen (zum Beispiel Beulen oder
Falten) möglich.
ist seit dem 01.04.2005
als designierter Nachfolger von Abteilungsleiter
Dr. Paul im Geschäftsfeld
„Sichtprüfsysteme“
beschäftigt.
Farbiger Bodenbelag im Reliefbild Nord-Süd und
Ost-West.
Dr. Matthias Hartrumpf
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Impressum
Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Beyerer
Redaktion
Sibylle Wirth
Layout und graphische Bearbeitung
Christine Spalek
Herr Dr. Längle studierte an der Universität Karlsruhe Informatik. Bedingt durch
das große Interesse an anwendungsbezogener Forschung begann er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für
Prozessrechentechnik, Automation und
Robotik der Universität Karlsruhe und
promovierte im Jahre 1996 auf dem
Gebiet der Steuerungstechnik für Roboter. Im Januar 1997 gründete er eine
neue Forschungsgruppe im Themenfeld
„Intelligente Steuerung und Diagnose“,
in der eine große Anzahl an Industrieprojekten bearbeitet wurden.
Druck
Engelhardt & Bauer
Karlsruhe
Anschrift der Redaktion
Fraunhofer-Institut
Informations- und Datenverarbeitung IITB
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© Fraunhofer IITB
Karlsruhe 2005
ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft
zur Förderung der angewandten
Forschung e. V. München
6. Jahrgang
ISSN 1616-8240
Im Dezember 2003 habilitierte er sich
im Bereich der intelligenten Diagnose
technischer Anlagen und erhielt die
Lehrbefugnis für Informatik.
Durch die bereits seit vielen Jahren bestehenden Kontakte zu Mitarbeitern
des IITB sowie der Zusammenarbeit in
Projekten kennt Herr Dr. Längle die Forschungsaktivitäten des Instituts bereits
seit längerer Zeit. In der Zukunft sollen
die in der Abteilung Sichtprüfsysteme
durchgeführten Aktivitäten weitergeführt und ausgebaut werden. Hierzu
ist eine enge Zusammenarbeit mit der
Universität Karlsruhe vorgesehen, an
der Herr Dr. Längle nach wie vor als
Privatdozent Lehrveranstaltungen anbietet. Durch die Kooperation sollen
einerseits die Studenten, aber auch die
Mitarbeiter der Abteilung sowie die dort
durchgeführten Arbeiten profitieren.
15
vis IT
1/2005
Bildnachweis
Titelseite
INGRAM imagelibrary
Seite 5
indigo Werbefotografie
PR-Netzwerk der Fraunhofer-Gesellschaft
Seite 11
VisioTec GmbH
Nachdruck, auch auszugsweise,
nur mit vollständiger Quellenangabe und
nach Rücksprache mit der Redaktion.
Belegexemplare werden erbeten.
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