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2011 | Buch

Einleitung Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Industrielle Bildverarbeitung

Wie optische Qualitätskontrolle wirklich funktioniert

verfasst von: Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Dieses Buch bietet eine praxisorientierte Einführung in die industrielle Bildverarbeitung. Das Buch liegt nun in einer überarbeiteten 3. Auflage vor, die die aktuellen technologischen Entwicklungen zum Beispiel im Bereich Kameratechnik und Farbbildverarbeitung berücksichtigt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Zusammenwirken von Verfahren in einem bildverarbeitenden Gesamtsystem einschließlich der typischen Problemstellungen bei der Integration in die automatisierte Fertigung. Anhand von realen Beispielen und der Standard-Software NeuroCheck wird eine Anleitung zur Lösung industrieller Sichtprüfaufgaben gegeben. Basierend auf ihrer langjährigen Erfahrung legen die Autoren auch diejenigen Rezepte offen, die zwar üblicherweise nicht publiziert werden, für das Funktionieren von Bildverarbeitungssystemen jedoch wesentlich sind. Mit der als Download verfügbaren Testversion der Software kann das Gelesene nachvollzogen und eingeübt werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Die industrielle Bildverarbeitung ist angesichts steigender Anforderungen an Produktqualität und -dokumentation zu einer Schlüsseltechnologie geworden. Ihr Einsatz in der automatischen Fertigung ist inzwischen selbstverständlich. Trotzdem mangelt es vielfach noch an Verständnis für diese moderne Technologie. Das vorliegende Buch soll dazu beitragen, diesem Zustand abzuhelfen, den nicht zuletzt die Bildverarbeitungsindustrie teilweise selbst herbeigeführt hat. Wie in allen Bereichen, in denen zunehmend PCs eingesetzt werden, stellt man auch in der Bildverarbeitung den Trend fest, dem Endanwender immer größere Möglichkeiten zur Systementwicklung zu geben. Damit wird es jedoch auch erforderlich, ihm das entsprechende Know-How zur Verfügung zu stellen.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
2. Querschnitt: Bildvorverarbeitung
Zusammenfassung
Vorverarbeitungsalgorithmen bilden häufig den ersten Arbeitsschritt nach der Bildaufnahme und werden auch in vielen Beispielen der nachfolgenden Kapitel benötigt. Daher gibt dieses erste Querschnittkapitel eine Einführung in die Bildvorverarbeitung. (Gonzalez und Woods 2008) geben eine umfassende Übersicht. Um eine möglichst klare Vorstellung von der Wirkungsweise der einzelnen Operationen zu geben, verwenden wir in diesem Kapitel sehr einfache, synthetische Beispielbilder. In den Anwendungsbeispielen der übrigen Kapitel sind viele der Verfahren dann im industriellen Einsatz zu sehen.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
3. Lageerkennung
Zusammenfassung
Es mag etwas ungewöhnlich erscheinen, die ausführliche Besprechung der verschiedenen Anwendungsbereiche industrieller Bildverarbeitung gerade mit der Lageerkennung zu beginnen, statt mit der Objekterkennung, da man ja ein Objekt zunächst finden muss, um seine Lage feststellen zu können. Objekterkennung ist aber ein recht weiter Begriff und erfordert häufig eine Vielzahl von Hilfsfunktionen, um ein Objekt schließlich einer Objektklasse zuordnen zu können. Lageerkennung hingegen ist strukturell – nicht unbedingt algorithmisch – eine vergleichsweise einfache Angelegenheit, sobald das fragliche Objekt einmal gefunden ist. Die einzige notwendige Voraussetzung ist also die Segmentierung eines Referenzobjekts. Der Hauptgrund dafür, dieses Gebiet an den Anfang zu stellen, ist jedoch, dass es in der industriellen Bildverarbeitung gewissermaßen eine unerlässliche „Hilfswissenschaft“ darstellt.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
4. Querschnitt: Segmentierung
Zusammenfassung
Der Begriff des Objekts ist zentral für das Vorgehensmodell in Abschnitt 1.5, ja in der Tat entscheidend für das Wesen der industriellen Bildverarbeitung, geht es hier doch letztlich immer darum, eine Aussage über in der realen Welt existierende und in Bildern erfasste Objekte zu machen. Im Einführungsbeispiel in Abschnitt 1.6 und im gesamten Kapitel 3 über Lageerkennung wurde entsprechend immer wieder Gebrauch von Verfahren gemacht, die eine Segmentierung vornehmen, d. h. Objekte aus der Bildszene isolieren. Dabei wurde zunächst einmal angenommen, dass diese Verfahren verfügbar sind und die gewünschten Objekte aus der Bildszene isolieren können. Im Laufe der Zeit wurde eine Vielzahl derartiger Methoden entwickelt. Die wichtigsten und am meisten verbreiteten werden in diesem Kapitel vorgestellt.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
5. Kennzeichnungsidentifikation
Zusammenfassung
Die Identifikation von Werkstücken, Produkten, Materialien ist ein unverzichtbarer Bestandteil der automatisierten Fertigung, sei es zur Lagerhaltung, Fertigungssteuerung oder Qualitätskontrolle. Es gibt eine Vielzahl von Kennzeichnungsmethoden, optische wie nichtoptische. Magnetische Datenträger sind ein einfaches Beispiel für eine nichtoptische Kennzeichnungstechnik, die vielfach in der Fertigungssteuerung eingesetzt wird. Diese nichtoptischen Kennzeichnungen sind für automatische Systeme sogar leichter identifizierbar als optische.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
6. Querschnitt: Klassifikation
Zusammenfassung
Dieses Kapitel gibt eine kurze allgemeine Einführung in das Gebiet der Klassifikation, verbunden mit einer Übersicht über einige wichtige Klassifikatortypen. Es ist natürlich nicht möglich, dieses Gebiet hier auch nur annähernd erschöpfend zu behandeln, zu vielfältig und umfangreich ist die Forschung, die besonders in den letzten 40 Jahren auf diesem Gebiet von so verschiedenen Disziplinen wie der Psychologie und Biologie auf der einen, der Informatik auf der anderen Seite betrieben wurde. Ebenso können wir nicht alle Klassifikatortypen im Detail behandeln und ihre mathematischen Eigenschaften ausführen. Dennoch wollen wir die wichtigen Typen wenigstens erwähnen, um dem Leser eine gewisse Orientierung in diesem für Mustererkennungsaufgaben so wichtigen Bereich zu geben. Wir werden einen dieser Klassifikatortypen, das neuronale Netz vom Multilayer- Perzeptron-Typ, ausführlicher behandeln, da dieser Klassifikator in den in Kapitel 5 beschriebenen Mustererkennungsanwendungen zum Einsatz kam.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
7. Vermessung
Zusammenfassung
Vermessung oder Form- und Maßprüfung gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung, sowohl in algorithmischer Hinsicht als auch bezüglich der Systemtechnik, des Anlagenbaus. Es ist durchaus möglich, Messgenauigkeiten bis hinunter zu wenigen Lichtwellenlängen zu erreichen, aber dafür ist ein außerordentlich hoher Aufwand erforderlich. Wie in jeder technischen Disziplin ist es auch hier unmöglich, präzise Ergebnisse ohne entsprechende Sorgfalt zu erreichen. Sorgfalt vor allem bei der Peripherie, der Auswahl der Komponenten, dem mechanischen Aufbau, der Beleuchtung, der Bildaufnahme. Qualität, die in der Sensorkette verloren geht, ist unwiederbringlich verloren. Aus diesem Grund schließt sich auch das Querschnittkapitel über Beleuchtungs- und Aufnahmetechnik an dieses Kapitel an.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
8. Querschnitt: Bildaufnahme und Beleuchtung
Zusammenfassung
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir eine Reihe von Möglichkeiten kennengelernt, digitale Bilder zu verarbeiten, Objekte darin zu erkennen und zu bewerten. Bislang haben wir jedoch noch nichts darüber gesagt, wie man zu diesem digitalen Bild kommt, dessen Eigenschaften und Qualität von entscheidender Bedeutung für die Lösung einer Bildverarbeitungsaufgabe sind.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
9. Anwesenheitskontrolle
Zusammenfassung
Von der Aufgabenstellung her betrachtet, erscheint Anwesenheitskontrolle als ein klar fassbares und strukturell einfaches Gebiet, so dass es oft am Anfang einer Einführung in die Bildverarbeitung steht. Tatsächlich ist der Begriff der Anwesenheitskontrolle aber recht schwierig einzugrenzen: Geht es hier nur um einfaches Zählen von Objekten oder spielen Eigenschaften dieser Objekte eine Rolle? Sind diese Eigenschaften einfache Merkmale, oder ist das Gesamtaussehen des Objekts von Bedeutung? Beziehen sich Eigenschaften jeweils nur auf Einzelobjekte, oder müssen, wie bei der Montagekontrolle, auch Bezüge zwischen Objekten berücksichtigt werden.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
10. Querschnitt: Objektmerkmale
Zusammenfassung
In den meisten Beispielen der vorangegangenen Kapitel haben wir die Gültigkeit von Objekten anhand verschiedener Merkmale überprüft. Es ist daher an der Zeit, eine Übersicht solcher Merkmale zu geben. Aus der Vielzahl in der Literatur beschriebener Merkmale haben wir eine Auswahl zusammengestellt, die sich in vielen praktischen Anwendungsfällen bewährt hat. Dabei wollen wir gleichzeitig noch einmal einen Blick auf einige der Schwierigkeiten werfen, die die Umsetzung alltäglich vertrauter Begriffe in die diskrete Welt digitaler Bilder aufwerfen kann.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
11. Farbbildverarbeitung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel gibt eine Einführung in die Farbbildverarbeitung. Unter Farbbildverarbeitung verstehen wir die Auswertung der Farbinformation in Bildern für Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung. Obwohl Farbfernsehen schon seit vielen Jahrzehnten normal ist und im Consumer-Markt praktisch ausschließlich Farbkameras verfügbar sind, werden in der industriellen Bildverarbeitung nach wie vor die meisten Anlagen mit Graustufenkameras ausgerüstet und die Prüfaufgaben dem entsprechend nur mit der Auswertung der Helligkeitsinformationen gelöst. Das ist umso erstaunlicher, wenn man bedenkt, dass Farbe einen wesentlichen Teil der vom Menschen wahrgenommenen visuellen Information darstellt. Der Mensch kann laut (Russ 2007) lediglich 20–30 Graustufen unterscheiden, kann aber rund 1000 Farben und Farbnuancen unterscheiden, woraus offensichtlich wird, wie wichtig Farbinformationen für uns sind.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
12. Realisierung von Bildverarbeitungsapplikationen
Zusammenfassung
Wir haben in den vorangegangenen Kapiteln eine Vielzahl von Methoden und Algorithmen der Bildverarbeitung und eine Reihe beispielhafter Anwendungen aus der industriellen Praxis beschrieben. Zum Abschluss wollen wir auf einige Aspekte eingehen, die für die Realisierung von Bildverarbeitungsapplikationen von Bedeutung sind.
Christian Demant, Bernd Streicher-Abel, Axel Springhoff
Backmatter
Metadaten
Titel
Industrielle Bildverarbeitung
verfasst von
Christian Demant
Bernd Streicher-Abel
Axel Springhoff
Copyright-Jahr
2011
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-13097-7
Print ISBN
978-3-642-13096-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-13097-7

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