Wichtige Erkenntnisse
- Die Line-Scan-Technologie erstellt Bilder Pixelreihe für Pixelreihe und kann so Endlosmaterial und rotierende Objekte prüfen.
- Eine Area-Scan-Kamera erfasst eine Szene in 2D in einer einzigen Aufnahme.
- Die Auswahl des richtigen Sensortyps hängt von der Liniengeschwindigkeit und der Form des Prüfobjekts ab.
Die Fallstricke bei der Wahl der falschen Kamera
Die Wahl der falschen Bildgebung ist ein bisschen so, als ob Sie einen Schulbus für Ihren täglichen Weg zur Arbeiten fahren würden. Man kommt schon irgendwann an, aber es dauert länger, kostet mehr und ist auf die Dauer eine unbefriedigende Lösung.
Line-Scan- und Area-Scan-Kameras dienen dem gleichen Zweck und erfassen Bilder, um visuelle Aufgaben zu automatisieren, aber ihre Prozesse und Methoden sind völlig unterschiedlich.
Was ist eine Zeilenkamera und wann wird sie eingesetzt?
Eine Zeilenkamera erfasst eine einzelne Pixelreihe. Wenn sich ein Objekt am Sensor vorbeibewegt, löst die Kamera mehrfach aus, um ein Bild Pixelreihe für Pixelreihe zu erstellen, die dann zu einem Bild zusammengefügt werden. Die neuesten Zeilenscan-Imager reichen von 500 bis 8.000 Pixeln pro Zeile mit Geschwindigkeiten von bis zu 67.000 Zeilen pro Sekunde.
Typische Zeilen-Scan-Anwendungen:
- Endlosmaterialien: Papier, Folie, Folie, Textilien und Vliesstoffe
- Zylindrische Oberflächen: Dosen, Rohre und Rollen, bei denen die Kamera die Oberfläche effektiv „abwickelt“
- Große, flache Objekte: Solarpaneele, Glasbleche, Metallplatten und Leiterplatten, die breiter sind als ein Flächenscan-Sichtfeld
- Hochgeschwindigkeitsproduktion: Linien, die mit Geschwindigkeiten von mehr als 2 Metern pro Sekunde arbeiten, bei denen ein Flächenscan eine unpraktikable Beleuchtung erfordern würde
Eine Zeilenkamera erfasst eine einzelne Pixelreihe und fügt sie zu einem nahtlosen Bild zusammen.
Eine Flächenscankamera erfasst eine Szene in einer einzigen Aufnahme.
Was ist eine Flächenscankamera und wann wird sie eingesetzt?
Eine Flächenscankamera erfasst ein Bild in einer einzigen Aufnahme. Dies macht es zur gängigsten und flexibelsten Wahl für die Inspektion diskreter Teile – oder einzelner Komponenten – sowie Roboterführung und allgemeine Bildverarbeitungsanwendungen.
Der Sensor enthält eine rechteckige Anordnung von Pixeln. In einer einzigen Belichtung nimmt die Kamera die gesamte Szene auf. Global Shutter setzen alle Pixel gleichzeitig frei und frieren Bewegungen ohne Verzerrung ein. Diese Einfachheit erklärt, warum der Flächenscan bei den meisten Bildverarbeitung der Standard bleibt.
Typische Flächenscan-Anwendungen sind:
- Fehlererkennung für diskrete Teile: Jedes Teil wird einzeln ohne Bewegungssynchronisierung erfasst
- Bin Picking mit Robotern: Single-Shot-Bildgebung für 3D-Teile-Lokalisierung und -Ausrichtung
- Inspektionen mit mehreren Zielbereichen: Ein Bild wird für mehrere Prüfaufgaben segmentiert, ohne die Kamera zu bewegen
- Langsame und getaktete Linien: Einfachere Integration ohne Encoder-Anforderungen
Flächenscan vs. Zeilenscan: Vergleich von Funktionen und Anwendungen
Zeilenkameras bieten bei der Messung kontinuierlicher Objekte 20- bis 30-mal höhere Prüfgeschwindigkeiten als Flächenscan-Sensoren. Flächenscan-Kameras bieten jedoch eine einfachere Integration mit diskreten Teilen und können bei der Inspektion kleinerer Sichtfelder sehr hohe Bildraten erzielen.
| Flächenscan-Kamera | Zeilenkamera | |
|---|---|---|
| Bilderfassung | Einzelbelichtung eines rechteckigen Sensorbereichs | Sequenzielle Erfassung einer einzelnen Pixelzeile |
| Bildkonstruktion | Bild in einer Momentaufnahme | Bild aus aufeinanderfolgenden Zeilen zusammengefügt |
| Maximale praktische Auflösung | 20 bis 65 MP pro Frame | 4.096 bis 16.384+ Pixel pro Zeile (unendliche Länge) |
| Durchschnittliche Geschwindigkeit | 30 bis 500 Bilder pro Sekunde (Vollbild) | 20.000 bis 67.000 Zeilen pro Sekunde |
| Erforderliche Bewegung | Statische oder mittelschnelle Objekte | Kontinuierliche Relativbewegung (Kamera oder Objekt) |
| Synchronisierung | Triggereingang (extern oder intern) | Encoder-Feedback für Anpassung der Geschwindigkeit |
| Komplexität der Integration | Eher gering – Standardobjektive, Beleuchtung, Befestigung | Höher – erfordert präzise Bewegungssteuerung und lineare Beleuchtung |
| Optimale Anwendungen | Diskrete Teile, Vorhandensein/Fehlen, Montageprüfung, Behälter-Kommissionierung, mehrere Zielbereiche | Bahnenprüfung, zylindrische Oberflächen, Hochgeschwindigkeitslinien für Endlosmaterial |
Vier kritische Fehler, die Ingenieure machen
Bewegungsunschärfe, Encoder‑Fehlanpassungen und Beleuchtungsfehler zählen zu den drei häufigsten und zugleich kostenintensivsten Fehlern bei der Spezifikation von Zeilen‑ und Flächenscan-Kameras. Jeder dieser Fehler ist vorhersehbar und lässt sich durch eine sorgfältige Anwendungsanalyse vermeiden.
| Fehler | Empfehlung | |
|---|---|---|
| Bewegungsunschärfe beim Flächenscan | Annahme, dass eine kurze Belichtungszeit eine Bahn mit mehr als 2 m/s einfrieren kann | Für Geschwindigkeiten über 2 m/s ein Zeilenkamerasystem einsetzen |
| Encoder‑Fehlanpassung bei Zeilenkameras | Unzureichende Kalibrierung zwischen Encoder‑Impulsen und Zeilenrate der Kamera führt zu Bildstreckung oder ‑stauchung | Encoder‑Auflösung und Impuls‑Timing vor Produktionsstart mit Testmustern validieren |
| Linienlicht für Flächenscan, Ringlicht für Zeilenkamera | Einsatz einer für einen Kameratyp ausgelegten Beleuchtung beim jeweils anderen | Gleichmäßige Linienlichter für Zeilenkameras einsetzen; Ring‑ oder Kuppelbeleuchtungen für den Flächenscan |
| Überlastung der Verarbeitung | Unterschätzung der Datenraten hochauflösender Zeilenkamerasysteme | Bandbreitenanforderungen frühzeitig berechnen; entsprechende Schnittstelle angeben (GigE Vision, CoaXPress, Camera Link HS) |
Zeilenkamerasysteme erfordern eine präzise Synchronisation zwischen der Zeilenrate der Kamera und der Fördergeschwindigkeit, in der Regel über einen Encoder. Ändert sich die Geschwindigkeit, ohne dass die Zeilenrate entsprechend angepasst wird, kommt es zu einer Bildstauchung oder ‑streckung, was Messungen verfälscht.
Experten-Einblick: Jon Dizer, Senior Account Sales Engineer
F: Was ist ein bei der Einrichtung eines Zeilenscansystems zu beachten, was oft übersehen wird?
A: „Vorallem die Ausrichtung der Teile. Wenn das Prüfobjekt nicht in der richtigen Position ist, wenn es eine Kamera erreicht, entstehen nachgelagerte Probleme. Nur wenige Hersteller verfügen können die Teile ausrichten, ohne Einbußen bei Liniengeschwindigkeit und Durchsatz. Dafür gibt es Systeme, die aber sind oft nicht leicht in bestehende Linien zu einzubauen.“
Wie KI die Auswahl des Kameratyps verändert
KI erweitert die Leistungsfähigkeit beider Kameratypen innerhalb ihrer jeweiligen Anwendungsbereiche, indem sie organische Variationen im Erscheinungsbild von Teilen, bei der Beleuchtung und in der Darstellung von Defekten verarbeitet.
Traditionelle regelbasierte Bildverarbeitungssysteme erfordern eine explizite Programmierung für jede mögliche Defektvariante. KI‑Werkzeuge, einschließlich Edge AI und Advanced AI, erkennen Defekte durch Lernen aus Beispielbildern. Dies ist für die Auswahl des Kameratyps relevant, da eine KI‑gestützte Kamera größere Variationen in der Positionierung und im Erscheinungsbild von Bauteilen tolerieren kann als ein traditionelles System.
Experten-Einblick: Jon Dizer, Senior Account Sales Engineer
F: Was ist bei der Implementierung eines KI-Systems zu beachten, wie wirkt sich diese Technologie langfristig auf den Betrieb aus?
A: „KI-Tools erweitern die Fähigkeiten der Bildverarbeitung, ersetzen aber nicht die Bildaufnahme. Selbst kleine Änderungen des Arbeitsabstands, der Beleuchtung oder der Hintergrundfarbe können eine Neuprogrammierung erfordern, wenn die Bilder drastisch unterschiedlich sind. Wir werden immer wieder gefragt, wie diese Systeme validiert werden können, wie ihre Kalibrierung angepasst werden kann, ohne das KI-Modell zu beeinträchtigen, oder wenn Werkzeuge oder Förderbänder ihre Farbe ändern.“
„Wenn nun Zeilenscan-Systeme schneller werden, können Unternehmen fortschrittliche KI-Bildverarbeitungstools verwenden, die zuvor einen Fertigungsengpass geschaffen hätten. Wir sehen bereits, dass das Segment-Tool in der In-Sight 3900 viel praktikabler geworden ist, da es schnell genug läuft, um mit modernen Liniengeschwindigkeiten Schritt zu halten.“
Experten-Einblick: Jon Dizer, Senior Account Sales Engineer
F: Wie verändern sich Anwendungen für beide Technologien, da Area-Scan-Kameras bei der Bildaufnahme immer schneller werden?
A: „Area-Scan-Kameras werden zunehmend schneller, sodass sie mit höheren Liniengeschwindigkeiten arbeiten können. Dadurch erweitert sich das Anwendungsspektrum, und die traditionelle Abgrenzung zwischen Zeilen- und Flächenkameras verschwimmt zunehmend. Zeilenkamerasysteme bleiben jedoch unverzichtbar für Inspektionen an zylindrischen, glänzenden Objekten wie Batterien, Flaschen, Vials und Etiketten.“
Die Zukunft von Flächenscan- und Zeilenkameras: Weniger PCs, mehr Bildgebungsmethoden
Bildverarbeitung wird zunehmend zum Standard. Fortschrittliche Bildgebungsverfahren, KI und Bildsensoren werden schrittweise aus dem Labor in die Fertigungsumgebung überführt und erweitern Umfang und Leistungsfähigkeit der industriellen Bildverarbeitung.
- Kurzwellige Infrarotsensoren (SWIR) können Licht in einem deutlich erweiterten Wellenlängenbereich erfassen, sodass es Gase, Nebel und Staub besser durchdringen kann. Darüber hinaus ist SWIR in der Lage, bestimmte Materialien zu durchdringen, wodurch eine Produktprüfung auch nach der Verpackung möglich wird.
- Die Verarbeitung mit Edge AI zunehmend zur Regel. Frühe Zeilenkamerasysteme erzeugten sehr große Bilddatenmengen und erforderten PCs zur Datenverarbeitung. Moderne Systeme nutzen Edge AI zur lokalen Verarbeitung und wird mit den Fortschritten bei Hardware und Software zudem kostengünstiger. Dieser Trend erweitert die Anwendungsbereiche, die sich mit Edge AI realisieren lassen, und führt schrittweise zu einer Ablösung PC‑basierter Bildverarbeitung.
- 3D-Profiling und Flächenscan mit hohen Bildraten lassen die klassische Trennung zwischen Zeilen‑ und Flächenkameras weiter verschwimmen. Zeilenkameras können dadurch auch große Bauteile inspizieren, während Flächenscan-Systeme zunehmend für kontinuierliche Bahnwaren geeignet sind. Mit immer leistungsfähigeren Bildsensoren werden Flächenscan‑Systeme Informationen mit höheren Bildraten verarbeiten und damit funktional Zeilenkamerasysteme emulieren können.
Für Fertigungsingenieure bedeutet dies neue Kompetenzanforderungen, darunter das Trainieren von KI‑Modellen für den Edge‑Einsatz, die Interpretation multispektraler Daten, die Spezifikation von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (z. B. CoaXPress‑over‑Fiber) sowie die hybride Integration von Zeilen‑, Flächen‑ und 3D‑Bildverarbeitungstechnologien.
Flächenscan und Zeilenscan: Wie erfolgt die Auswahl?
- Kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsbewegung? Wenn eine Linie mit mehr als etwa 2 m/s und kontinuierlichem Produktfluss betrieben wird, ist eine Zeilenkamera in den meisten Fällen die richtige Wahl.
- Lange oder kontinuierliche Objektabmessungen? Bei der Inspektion von Bahnwaren, Rohren, Schienen oder Roll‑to‑Roll‑Materialien ermöglicht die Zeilenkamera eine nahtlose Erfassung unbegrenzter Längen, während Area‑Scan‑Systeme eine Bildzusammensetzung (Stitching) erfordern würden.
- Großes Sichtfeld (FoV) bei hoher Auflösung? Zeilenkameras erhalten die Auflösung über beliebige Breiten, indem die Pixelanzahl pro Zeile erhöht wird. Die Auflösung von Area‑Scan‑Kameras ist hingegen durch die Sensorgröße begrenzt.
- Diskrete Teile bei moderater Geschwindigkeit? Für die meisten Anwendungen zur Prüfung diskreter Teile bietet die Area‑Scan‑Technologie eine einfachere Integration, geringere Kosten und eine leichtere Implementierung.
Experten-Einblick: Jon Dizer, Senior Account Sales Engineer
„Bei sehr großen Sichtfeldern (Field of View) unterschätzen Anwender häufig die Anzahl an Area-Scan-Kameras, die erforderlich ist, um die gleiche Auflösung wie mit einer Zeilenkamera zu erreichen. Zwar gibt es in der Regel anwendungsspezifische Gründe für den Einsatz einer bestimmten Technologie, doch rein aus Sicht der Auflösung – also der minimalen Defektgröße, die erkannt werden muss – spricht die Berechnung bei Inspektionen mit großen Sichtfeldern in den meisten Fällen für den Einsatz einer Zeilenkamera.“
Die Festlegung der optimalen Methode zur Bildaufnahme ist ein früher und entscheidender Schritt bei der Auswahl eines Bildverarbeitungssystems. Unabhängig davon, ob ein erstes Bildverarbeitungssystem implementiert oder eine bestehende Inspektionslinie skaliert wird, kann ein vertrauenswürdiger Anbieter von Bildverarbeitungssystemen durch den gesamten Prozess begleiten.