Vision-Systementwicklung

Auf die Betrachtung des Gesamtsystems kommt es an

19. September 2022, 8:30 Uhr | Andreas Knoll
Framos
Schon zu Beginn eines Vision-Projekts sollte das Zusammenspiel der wichtigsten Komponenten untersucht und optimiert werden.
© Framos

Die Komponenten von Vision-Systemen, etwa Bildsensor, Optik oder Processing Board, bedingen sich gegenseitig und sind als Einheit zu betrachten. Wichtig ist es daher, jede Anwendung von Anfang an so genau wie möglich zu verstehen, damit eine sinnvolle Systemauslegung gelingen kann.

Dr. Frederik Schönebeck, Head of Custom Solutions bei Framos, erläutert die Hintergründe.

Markt&Technik: Worüber müssen sich Entwickler von Bildverarbeitungssystemen im Klaren sein, bevor sie mit der konkreten Arbeit beginnen können?

Dr. Frederik Schönebeck: Vision-Ingenieure und Entwickler müssen schon zu Beginn eines Projekts die Anwendung und die Aufgaben bis ins Detail verstehen und genau beschreiben können, um dann die Anforderungen an das Vision-System möglichst konkret abzuleiten. In diesem ersten und wichtigen Schritt geht es darum, herauszufinden, ob die Auswirkungen einzelner Komponenten auf das Gesamtsystem bedacht wurden. Genügt die verfügbare Bandbreite für den Datentransfer? Reicht die Performance der Prozessorarchitektur aus, um die Datenmengen innerhalb der geforderten Zeit tatsächlich verarbeiten zu können? Passt das Objektiv zum Bildsensor?

Allein die Optik bietet viel Potenzial, um Ergebnisse zu verbessern. Allerdings sind dabei weitere Faktoren zu berücksichtigen. So muss das Objektiv sowohl auf die Pixelgröße als auch auf das optische Format des Sensors abgestimmt werden. Der Prozessor muss die Sensorschnittstelle unterstützen und dafür sorgen, dass die implementierte Imaging Pipeline bei richtiger Abstimmung die erforderliche Bildqualität mit der gewünschten Performance liefert. Dies lässt sich durch eine entsprechende Parametrisierung des Bildsignalprozessors erreichen (ISP Tuning). Hier gibt es viele weitere Stellschrauben zur Optimierung.

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Dr. Frederik Schönebeck, Framos: »Schon beim Entwurf eines Vision-Produkts ist zu ermitteln, ob es in Serie produziert werden kann und ob der Funktionsumfang des Serienprodukts zuverlässig sichergestellt ist.«
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In welchen Fällen kann es zu nachträglichen Änderungen kommen, und wie lassen sich diese am ehesten vermeiden?

Wenn sich im Nachhinein, im schlimmsten Fall während der Serienproduktion, grundlegende Anforderungen ändern, ist es oft nur in Ausnahmefällen möglich, einen Teil der Komponenten auszutauschen. In den meisten Fällen muss dann die komplette Architektur der Vision-Lösung neu durchdacht und entsprechend verändert werden. Oft fehlt bei der Abstimmung der Komponenten die praktische Erfahrung, und es gibt keine Referenzwerte. Deshalb werden die technischen Parameter der Anwendungsanforderungen meist nur geschätzt. Doch um die Anforderungen optimal zu beschreiben, ist es unumgänglich, empirische Tests zu machen. Nur so lässt sich der Parameterraum vernünftig eingrenzen.

Bei hohen Anforderungen an die Bildqualität ist die Optik die Komponente mit der am meisten unterschätzten Komplexität. Doch oft fehlt auch hier die quantitative Beschreibung der Anforderungen, etwa hinsichtlich der Abbildungsleistung. Wenn die Anforderungen ungenau oder unvollständig sind, besteht für Vision-Entwickler die Gefahr, dass die Vision-Lösung im Feld nicht robust funktioniert oder Qualitätsprobleme auftreten. Das ist besonders bei hochvolumigen Projekten verhängnisvoll – hier können sich systematische Defizite, die am Anfang übersehen wurden, im weiteren Verlauf schnell zu großen Problemen ausweiten.

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Durch geschickte Einstellungen am Bildsignalprozessor (ISP Tuning) lässt sich die Bildqualität weiter optimieren.
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In welchen Fällen sollten Anwender auswärtige Vision-Experten mit einbeziehen?

Aus den genannten Gründen ist es generell vorteilhaft, von Anfang an einen kompetenten Berater wie Framos mit im Boot zu haben, der ein Projekt »vom Ende her« durchdenkt, sich also schon bei den ersten Überlegungen stark auf das Serienprodukt fokussiert. Dies gilt vor allem für die angepeilte Zeitschiene, die Produktionskosten und den benötigten technischen Funktionsumfang. Eine zuverlässige Planung und transparente Kommunikation sind ausschlaggebend für ein erfolgreiches Projekt.

Framos kann seine Kunden bei der Systemauslegung theoretisch und praktisch unterstützen und dabei oft schon Jahre im Voraus darüber informieren, wie sich die Verfügbarkeit einzelner Komponenten entwickeln wird, damit stets sinnvolle Entscheidungen bei deren Beschaffung möglich sind.

Würde es nicht genügen, einfach preisgünstige Hardware aus Asien zu beziehen und zu einem System zusammenzustellen?

In vielen Fällen können Anwender tatsächlich schnell erste Muster (Samples) beziehen, etwa mit Hardware aus Asien. Sobald das Produkt dann aber in Serie gehen soll, mangelt es oft an der notwendigen Dokumentation zur Qualitätssicherung, an technischer Unterstützung und an einer zuverlässigen Lieferkette. Framos hat Mitarbeiter in Europa, Nordamerika und Asien. Dieser globale Auftritt und ein weltweites Herstellernetzwerk ermöglichen es, überall auf der Welt lokal zu interagieren und Kunden stets Zugriff auf geeignete Vision-Technologien zu bieten.


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  2. Praxistipps für die Komponentenauswahl

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