Warum B&R ein eigenes Beleuchtungssystem für Bilderverarbeitung im Portfolio hat

Ein Interview mit B&R-Vision-Experte Andreas Waldl

Im Bild: Andreas Waldl, Produktmanager Integrated Vision, B&R

Beleuchtungssysteme für die industrielle Bildverarbeitung gibt es wie Sand am Meer. Dennoch hat sich Automatisierungsspezialist B&R entschieden, ein eigenes, integriertes System auf den Markt zu bringen. Wieso diese Entscheidung die einzig Richtige war und welche Rolle dabei das Thema Integration spielt, erklärt B&R-Vision-Experte Andreas Waldl im Interview.

Herr Waldl, Hand aufs Herz, ist es wirklich notwendig, dass ein Automatisierungsanbieter wie B&R ein eigenes Beleuchtungssystem im Portfolio hat?

Vor knapp zehn Jahren hätte ich diese Frage sicherlich noch mit Nein beantwortet. Doch dann habe ich mich grundlegend mit dem Thema Machine Vision beschäftigt. Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass sich viele Anforderungen moderner Maschinen nur lösen lassen, wenn das Vision-System und die restliche Maschinenautomatisierung aus einer Hand kommen.

Integriertes Beleuchtungssystem für fehlerfreie Bildverarbeitung

Nun, das erklärt, wieso B&R eigene Kameras entwickelt hat. Aber wieso auch ein Beleuchtungssystem?

Weil für die Qualität des aufgenommenen Bildes die Beleuchtung sogar noch wichtiger ist. Im Endeffekt bestimmen der Zeitpunkt, die Intensität und die Homogenität des Lichtblitzes darüber, ob die gewünschten Vision-Funktionen fehlerfrei ausgeführt werden können. Genau dafür benötigen wir ein integriertes Beleuchtungssystem.

Wie genau ist das Beleuchtungssystem integriert?

Schauen wir uns ein herkömmliches Beleuchtungssystem für die industrielle Bildverarbeitung an. In den meisten Fällen gibt es genau eine Möglichkeit, diese anzusteuern: einen digitalen Triggereingang. Manche Leuchten haben zusätzlich noch ein Potenziometer, um die Lichtintensität manuell anzupassen. Es gibt sicher Anwendungsfälle, in denen das ausreicht. Aber wenn die Applikation schneller ist und wechselnde Produkte gefertigt werden …

… braucht es eine integrierte Leuchte.

Ganz genau. Denn eine integrierte Leuchte bekommt mehr Informationen vom Steuerungssystem. Zuallererst einen extrem genauen Blitzzeitpunkt. Bei unserem Beleuchtungssystem liegt die Genauigkeit bei unter einer Mikrosekunde. Und auch die Information, mit welcher Farbe und welcher Intensität geblitzt werden soll, um das jeweilige Produkt optimal abzubilden. Unsere Leuchten können im Prinzip bei jedem einzelnen Bild mit unterschiedlichen Parametern arbeiten, ohne dass dadurch eine Verzögerung entsteht. Meines Wissens gibt es keine Leuchten auf dem Markt, die so flexibel und genau sind.

Andreas Waldl, Produktmanager Integrated Vision bei B&R

Im Bild: Andreas Waldl, Produktmanager Integrated Vision, B&R

Herr Waldl, Hand aufs Herz, ist es wirklich notwendig, dass ein Automatisierungsanbieter wie B&R ein eigenes Beleuchtungssystem im Portfolio hat?

Integriertes Beleuchtungssystem für fehlerfreie Bildverarbeitung

Nun, das erklärt, wieso B&R eigene Kameras entwickelt hat. Aber wieso auch ein Beleuchtungssystem?

Wie genau ist das Beleuchtungssystem integriert?

… braucht es eine integrierte Leuchte.

Wenn die Leuchten von B&R so viele Möglichkeiten bieten, sind sie dann auch kompliziert zu bedienen?

Nein, und das ist auch ein Vorteil der tiefen Integration. Da sämtliche Variablen aus dem Steuerungssystem auch für die Vision-Funktionen verfügbar sind, können wir unseren Kunden viele Funktionen anbieten, die sie einfach in ihrer gewohnten Entwicklungsumgebung verwenden können. Der Anwender muss sich lediglich die Komponenten zusammenstellen, die er benötigt und diese dann parametrieren.

Der Anwender parametriert Licht und Kameras einfach in der B&R-Software Automation Studio.

Leucht-Vorteile auch mit Bildverarbeitungssystemen von Drittherstellern nutzen

Wenn ich Sie richtig verstehe, lassen sich all diese Vorteile nur mit einer B&R-Kamera nutzen. Ist das richtig?

Nur zum Teil. Es ist richtig, dass sich unsere Kameras, Leuchten und Maschinensteuerungen perfekt ergänzen. Aber viele der Vorteile unserer Leuchten kommen auch zum Tragen, wenn sie mit Kameras von Drittherstellern kombiniert werden. Unser Beleuchtungssystem kann sogar manche Schwachpunkte anderer Kamerasysteme ausmerzen. Die meisten Kameras haben nämlich aufgrund des verwendeten Sensors von Haus aus einen so hohen Jitter, dass es unmöglich ist, sie exakt mit den Achsbewegungen der Maschine zu synchronisieren. Dieses Problem lässt sich jedoch einfach lösen: Unsere Leuchten blitzen mit einer Genauigkeit und einer minimalen Pulsdauer von einer Mikrosekunde. Wir haben einen Kunden, der auf diese Weise Produkte scharf abbildet, die sich mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s bewegen.

Für wen könnte so eine Kombination aus B&R-Licht und Dritthersteller-Kamera interessant sein?

Zum Beispiel für Systemintegratoren, die sehr unterschiedliche Anforderungen bedienen müssen. Wenn sie für bestimmte Aufgabenstellungen eine spezielle Kameralösung benötigen, können sie trotzdem unser Beleuchtungssystem einsetzen. Dazu verwenden sie einfach eines unserer Standard-Interface-Module und binden ein oder mehrere B&R-Leuchten in ihr Maschinennetzwerk ein.

Beleuchtungssystem von B — Alle Leuchten von B&R lassen sich mit bis zu vier unterschiedlichen LED-Farben ausstatten.

«Völlig flexible Controller-Lösung»

Geht das nicht auch mit anderen externen Blitzcontrollern?

Unser System eröffnet weit mehr Möglichkeiten als ein handelsüblicher Blitzcontroller. Diese können nur hartverdrahtete externe Triggerquellen verwenden und auch nur eine definierte Anzahl an Leuchten ansteuern. Bei B&R reicht die Bandbreite von einer Leuchte bis hin zu einer Kombination aus beliebig vielen Leuchten, die über frei wählbare Variablen und Signale getriggert werden können. Der Anwender kann mit Hard- und Software aus dem Standard-Portfolio von B&R eine völlig flexible Controller-Lösung erstellen, die über eine eigene webbasierte Bedienoberfläche verfügt. Diese Lösung kann dann mit beliebigen Kommunikationsprotokollen angesprochen werden, natürlich auch mit OPC UA. Und für die Erweiterung um Ethernet TSN ist das B&R-System auch schon vorbereitet.

Sie bieten nun Kameras, diverse Leuchten und die dazugehörigen Software-Funktionen an. Ist das B&R-Vision-Portfolio damit vollständig?

Wir haben einen guten Grundstock auf den Markt gebracht – damit lassen sich schon viele Aufgaben hervorragend lösen. Aber wir haben noch lange nicht das Ende der Fahnenstange erreicht. Wir entwickeln bereits an weiteren Lösungen und Produkten, mit denen wir unser Portfolio in den kommenden Jahren ergänzen werden. Zu Details kann ich mich im Moment leider noch nicht äussern. Aber so viel kann ich schon verraten: Wir sind noch lange nicht am Ziel unserer spannenden Reise.

Das B&R-Vision-System

B&R hat von Grund auf eine eigene Machine-Vision-Lösung entwickelt und vollständig in sein Steuerungssystem integriert. Vision-Applikationen lassen sich nun schneller umsetzen. Steuerungstechnik und Vision kommen erstmals aus einer Hand, deswegen sind die Gesamtkosten deutlich niedriger.

Die Vision-Lösung besteht aus einem Beleuchtungssystem, Kameras und intelligenten Bildverarbeitungsalgorithmen. Die Beleuchtung ist wahlweise in die Kameras integriert oder als externes Gerät verfügbar und wird automatisch mit dem Bildeinzug synchronisiert.

Die tiefe Integration eröffnet Möglichkeiten, die weit über die Qualitätssicherung hinausgehen. Die Informationen des Vision-Systems können in Echtzeit in Regelkreise eingebunden und für die Maschinensteuerung verwendet werden. Achsbewegungen und Kamera werden mikrosekundengenau synchronisiert.

Drei Fragen zum Schluss zu Deep Learning und Machine Vision

Wird Machine Vision die Bildverarbeitung grundlegend verändern?

Herr Waldl, Deep Learning ist derzeit das grosse Hype-Thema, wenn es um Machine Vision geht. Denken Sie, dass sich dadurch die Bildverarbeitung grundlegend verändern wird?

Deep Learning ist eine faszinierende Technologie, die in den vergangenen Jahren grosse Fortschritte gemacht hat. Neuronale Netzwerke werden laufend weiterentwickelt und liefern immer bessere Ergebnisse. Zudem kommen fortlaufend leistungsfähigere Inference-Bausteine auf den Markt. Mit Deep Learning werden sich in Zukunft viele neue Aufgaben lösen lassen – sowohl in der Cloud als auch in Echtzeit direkt auf einem Edge-Gerät.

Also wird Deep Learning herkömmliche Bildverarbeitungsalgorithmen ablösen?

Deep Learning ist zwar hervorragend geeignet, wenn es darum geht, Dinge zu erkennen, die vorher nicht bekannt sind. Ein klassisches Beispiel dafür ist die Erkennung von Anomalien. Aber: Wenn es um eine mathematisch beschreibbare Aufgabe geht, also zum Beispiel um die Frage, ob ein Objekt exakt 5,3 cm lang ist, dann sind klassische Algorithmen zuverlässiger. Beide Ansätze werden zukünftig also nebeneinander existieren und müssen häufig auch kombiniert werden, um Bildverarbeitungsaufgaben zuverlässig zu lösen.

Ist damit das volle Potenzial von Deep Learning ausgeschöpft oder kommt noch mehr?

Da wird noch einiges kommen. Es gibt erste Lösungsansätze, neuronale Netze zur Laufzeit weiter zu optimieren. Sehr spannend ist auch die multimodale Kombination von Daten, respektive Algorithmen. Wir haben dabei auf der einen Seite unterschiedliche zwei- und mehrdimensionale Sensordaten – die auch Spektren ausserhalb des sichtbaren Bereichs abdecken können – und auf der anderen Seite regelbasierte Auswertungen sowie multidimensionale neuronale Netzwerke. Wenn wir alle diese Daten und Auswertungsmöglichkeiten intelligent miteinander kombinieren, können wir die Einsatzmöglichkeiten der industriellen Bildverarbeitung in Zukunft stark ausweiten.