Virtuelle Bildverarbeitung 10.02.2020, 00:00 Uhr

Paradigmenwechsel durch Simulation

Mithilfe von Computer Vision, Computergrafik, maschinellem Lernen und Robotik wird am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM ein virtuelles Framework konzipiert, welches das iterative Design eines Inspektionssystems unterstützt und somit ein fixes Bildaufnahme-Setup als Ausgangspunkt umgeht.

Bild 1. Die Grafik zeigt die durch die Simulation berechneten analysierbaren Bereiche in roter Farbe. Das heißt diese Regionen werden von der Kamera gesehen und haben eine ausreichende Bildqualität (Schärfe etc.). Die grünen Linien geben potenzielle Kamerapositionen an aus welchen dann wiederum eine optimale, minimale Menge von Kamerapositionen berechnet werden. Foto: Fraunhofer ITWM

Bild 1. Die Grafik zeigt die durch die Simulation berechneten analysierbaren Bereiche in roter Farbe. Das heißt diese Regionen werden von der Kamera gesehen und haben eine ausreichende Bildqualität (Schärfe etc.). Die grünen Linien geben potenzielle Kamerapositionen an aus welchen dann wiederum eine optimale, minimale Menge von Kamerapositionen berechnet werden.

Foto: Fraunhofer ITWM

Inline-Inspektionssysteme haben sich in vielen Produktionsumgebungen bewährt. Aber was passiert, wenn die Bauteile komplizierter werden? Wie lässt sich trotz zunehmender Individualisierung von industriell hergestellten Produkten ihre Prüfung automatisieren? Antworten liefert die virtuelle Bildverarbeitung, die den Inspektionsvorgang komplett simuliert und optimiert.

Ein optisches Inspektionssystem besteht aus vielen Hardwarekomponenten, die typischerweise von erfahrenen Ingenieuren auf Basis physischer Tests ausgewählt und parametrisiert werden. Neue Systeme werden iterativ entwickelt. Experten entwerfen ein initiales System, das anschließend solange modifiziert wird, bis es das Produkt ausreichend genau inspizieren kann. Diese Tests verschiedener Hardwarelösungen kosten viel Zeit und Mühe – mehrere Stunden pro Testlauf. Daher wird oft eine Konfiguration gewählt, die zwar funktioniert, jedoch nicht einmal annähernd optimal ist. Daraus erwachsende Schwächen bei der Bildqualität müssen später algorithmisch ausgeglichen werden.

Dabei haben die Konzeption der Beleuchtung und der Kameraaufbau den stärksten Einfluss auf die Qualität eines Inspektionssystems. Durch die Variation des Aufnahmewinkels zwischen Kamera und Beleuchtung können bestimmte Arten von Defekten auf einer Oberfläche stärker sichtbar und somit detektierbar gemacht werden. Hinzu kommen noch die optischen Eigenschaften des Materials, das geprüft werden soll; so hat beispielsweise Kunststoff ein ganz anderes optisches Verhalten als Metall.

Mithilfe von Computer Vision, Computergrafik, maschinellem Lernen und Robotik konzipiert eine Arbeitsgruppe am Fraunhofer ITWM ein Framework, welches das iterative Design eines Inspektionssystems unterstützt und somit ein fixes Bildaufnahme-Setup als Ausgangspunkt umgeht.

Der Schlüssel zur virtuellen Bildverarbeitung liegt im Virtualisierungskern, der aus zwei miteinander verbundenen Komponenten besteht: Planung und Simulation. Die Simulation dessen, was die Kamera sieht, kann zur Auswertung des Konstruktionsplans eines Inspektionssystems verwendet werden. Der Kern wird durch ein CAD-Modell – die Geometrie – eines Produkts sowie verschiedene Prüfparameter, wie etwa Fehlerarten, Produktmaterial und Prüfgeschwindigkeit, gespeist. Basierend auf diesen Parametern gibt die Software einen Satz möglicher Lösungen und Parameter aus, mit denen ein Ingenieur dann ein Inspektionssystem anpassen kann, sowie die erwarteten Ergebnisse, wie das Erfassen von Aufnahmepositionen, Lichtpositionen und simulierten Inspektionsbildern.

Eines der ersten Forschungsergebnisse war ein Algorithmus, der bei gegebenem 3D-Modell des Prüflings sowie den Kamerapositionen und Beleuchtungswinkeln berechnet, welche Oberflächenbereiche überhaupt sicher geprüft werden können. Ein Beispiel dazu ist in Bild 1 zu sehen. Der Nutzer kann weiterhin bestimmte Oberflächenareale von der Prüfung ausschließen, wenn dort keine Inspektion nötig ist. Das Verfahren berücksichtigt dabei nicht nur die Bereiche, die von der Kamera „gesehen“ werden, sondern berechnet auch weitere Parameter wie die Bildqualität. Im Rahmen dieser Entwicklung entstand ein Demonstrator, bestehend aus einem Roboter mit Kamera und Beleuchtung (Bild 2).

Bild 2. Mit EPI demonstriert das Fraunhofer ITWM den Weg zur virtuellen Inspektion.

Foto: Fraunhofer ITWM

Aktuell ist die am Fraunhofer ITWM entwickelte Revolving/Evolving Product Inspection EPI (Bild 3)

Bild 3. Die Benutzeroberfläche des EPI-Softwarepakets.

Foto: Fraunhofer ITWM

ein Schritt auf dem Weg zur virtuellen Inspektion. Bei der umlaufenden Inspektion werden nicht nur die Rahmenbedingungen wie Bauteilgeometrie und Oberflächenbeschaffenheit möglichst exakt berücksichtigt, sondern das System hat auch gelernt, wo mögliche Problemstellen bei der Analyse liegen können. „Gefüttert“ wird es zunächst mit den CAD-Daten eines Werkstückes – das heißt, das Inspektionssystem weiß, wie ein Gutteil aussehen soll. Die Software ist so konzipiert, dass sie anhand des spezifischen Produkts individuelle Scanpfade für die auf einen Drehteller platzierten Objekte berechnet.

Alles dies sind kleine Schritte auf dem Weg zur vollständigen, physikalisch korrekten Simulation von Inspektionssystemen. Ziel ist eine Software-Infrastruktur, welche die komplette Inspektionsumgebung simuliert. Dazu gehören neben den Eigenschaften des Prüfstücks auch die Eigenschaften aller Hardwarekomponenten (zum Beispiel Beleuchtung, Kamera, Optik). Die Architektur der Software soll dabei so gestaltet werden, dass kommerzielle Anbieter von Sensoren oder Beleuchtungen ihre produktspezifischen Eigenschaften wie beispielsweise Kameraparameter einpflegen können, ohne sensibles Know-how preisgeben zu müssen.

In der Zukunft wird es für die meisten produzierten Komponenten ein CAD-Modell geben, den sogenannten digitalen Zwilling. Jeder Schritt des Produktionsprozesses wird durch Computer gesteuert werden. Es wird möglich sein, verschiedene Produkte in kleinen Mengen mit der gleichen Anlage herzustellen. Parallel wachsen auch die Anforderungen an die Qualität. Wie muss also ein Prüfsystem in einer solchen Fabrik aussehen? Das Inspektionssystem der Zukunft muss sich schnell und ohne großen Aufwand an geänderte Produktionsbedingungen anpassen lassen. Dabei werden mehrere Roboter zum Einsatz kommen, die Freiform­flächen und selbst komplizierte Geometrien abbilden können. Das Inspektionssystem der Zukunft kann zudem vorhersagen, mit welcher Sicherheit bestimmte Defekte an verschiedenen Stellen detektiert werden können.

Dipl.-Inf. Markus Rauhut Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Fraunhofer-Platz 1 67663 Kaiserslautern Tel. +49 (0)631 / 31600-4595 markus.rauhut@itwm.fraunhofer.de wwww.itwm.fraunhofer.de

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