Wenn Maschinen die Augen öffnen

Sehende Maschinen revolutionieren unser Leben, denn sie können immer mehr Aufgaben übernehmen. Die Technologie, die den Maschinen das Sehen beibringt, heißt Bildverarbeitung oder Vision. Seit vielen Jahren entwickelt sich die Technologie dynamisch und eröffnet völlig neue Perspektiven.

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Der Mensch oft kopiert, nie erreicht

Der menschliche Körper ist ein faszinierendes Wunderwerk. Viele seiner Funktionen und Möglichkeiten sind so ausgereift, dass es selbst mit modernster Technik kaum möglich ist, die Leistungsfähigkeit einzelner Körperteile oder Sinne nachzubilden. Beispiele wie künstliche Herzen oder Gelenke sowie Roboterhände reichen trotz aller Ingenieurskunst nicht an die menschlichen Vorbilder heran. Dies gilt auch für einen der wichtigsten Sinne des Menschen: das Sehen.

Kinderleicht und unglaublich schwer

Bereits wenige Wochen nach der Geburt erfasst ein Baby unterschiedliche Farben und Formen. Mit wenigen Monaten erkennt es die Gesichter seiner Eltern und kann sie von anderen Menschen unterscheiden. Schon bald danach kann es einzelne Bauklötze gezielt aus einem Haufen herausgreifen, selbst wenn diese teilweise verdeckt sind. Äpfel und Birnen werden schnell so selbstverständlich unterschieden wie Hunde und Katzen. Entscheidend für diese Fähigkeiten ist nicht nur das Auge, das die Umwelt wahrnimmt, sondern auch das Gehirn, das die gewonnenen Informationen verarbeitet, interpretiert, versteht und entsprechende Reaktionen auslöst.

Was für ein Kleinkind einfach ist, kann für ein technisches System eine schwierige Aufgabe darstellen. Wenn ein Roboter in einem Behälter mit ungeordneten Bauteilen das richtige erkennen und herausgreifen soll, stößt die Technik schnell an ihre Grenzen. Das zeigt, wie überlegen das menschliche Sehen und Urteilsvermögen dem technischen immer noch ist.

Griff in die Kiste – kinderleicht? Quelle: iStock/Steve Debenport
Für technische Systeme eine Herausforderung! Quelle: i-mation GmbH

Menschliches und maschinelles Sehen

Die Leistungen, die beim Menschen von Auge und Gehirn erbracht werden, übernimmt bei der digitalen Bildverarbeitung die Technik. Bildverarbeitungssysteme bestehen aus mindestens einer Kamera oder einem Bildaufnahmesensor mit geeigneter Optik, einer Beleuchtung und einem Prozessor, auf dem die Verarbeitung der Bilddaten durch eine Software erfolgt.

Sowohl der Mensch als auch technische Bildverarbeitungssysteme sehen eigentlich nicht das betrachtete Objekt selbst, sondern nur die Reflexionen des Lichts, die vom Objekt auf das Auge beziehungsweise auf die Kamera zurückgeworfen werden. Die Iris des menschlichen Auges vergrößert oder verkleinert dabei den Durchmesser der Pupille, um die Helligkeit des einfallenden Lichtes zu steuern. Bei der Kamera übernimmt diese Funktion die Blende.

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Das Licht durchläuft beim Menschen die Linse, die es bündelt und scharfstellt. Bei einem technischen System wird diese Aufgabe von einer oder mehreren Linsen in einem Objektiv übernommen. Ein Abbild der betrachteten Szene entsteht beim Menschen erstmals auf der Netzhaut. Hier sind etwa 120 Millionen Stäbchen für die Erkennung der Helligkeit und rund 6 Millionen Zapfen für die Erkennung von Farben zuständig. Eine enorme Leistung, die von industriellen Kameras bei der Auflösung in Bildpunkte jedoch erreicht und teilweise sogar übertroffen wird.

Beim Menschen leiten Nerven die Bildinformationen vom Auge zum Gehirn weiter, das die Daten verarbeitet, auswertet und bei Bedarf Reaktionen von Körperteilen oder das Abspeichern der aufgenommenen Informationen auslöst. In technischen Systemen stellen Kabel die Datenübertragung zwischen Kamera, Recheneinheit und den nachfolgenden Systemen sicher, die dann auf Basis der errechneten Ergebnisse reagieren können.

Ich sehe was, was Du auch siehst

Bildverarbeitung funktioniert ähnlich wie das Sehen beim Menschen.

Vom Sehen zum Begreifen

Trotz vieler Ähnlichkeiten zwischen dem menschlichen und dem technischen Sehen gibt es große Unterschiede zwischen beiden Welten. Der größte Unterschied besteht im Verstehen und Interpretieren von Bilddaten. Der Mensch lernt im Laufe seines Lebens die Bedeutung von Objekten und Situationen, die er täglich über seine Augen wahrnimmt. Er begreift die Mimik anderer Personen, erkennt Tiere oder Pflanzen und vieles mehr. Die ständig zahlreich auf ihn einströmenden Bildinformationen erfasst und filtert der Mensch größtenteils intuitiv. Danach reagiert er auf Basis der in seinem Gehirn abgelegten Erfahrungen auf jede neue Situation.

Im Gegensatz dazu identifiziert ein Bildverarbeitungssystem Objekte nur dann korrekt, wenn diese vorher programmiert oder antrainiert wurden. Es existieren Software-Algorithmen für unterschiedlichste Aufgaben, z. B. zur Erkennung von Objekten, Mustern, Fehlern, Schriftzeichen, Farben, Punkten, Kanten und vielem mehr. Entwickler von Bildverarbeitungssystemen müssen bereits vorab wissen, was dieses System später leisten soll, und es entsprechend auslegen.

Fabrik mit Augen

Durch die atemberaubenden Fortschritte in der Bildverarbeitung ist die Technologie in der Produktion fest etabliert und erobert sich ständig neue Anwendungsfelder.

Entwicklung und Geschichte

Bildverarbeitung hat sich zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt und konnte in den vergangenen Jahren eine deutliche Umsatzsteigerung verzeichnen:

VDMA Robotik + Automation

Meilensteine der Bildverarbeitung

Einige der wichtigsten Entwicklungsschritte der Bildverarbeitungstechnologie im Überblick:

1969

Entwicklung von Sensoren mit CCD-Technologie (Charge-Coupled Device) zur Datenspeicherung. Sie können zweidimensional Bilder erfassen. 2009 erhalten Willard Boyle und George E. Smith für diese Erfindung den Nobelpreis für Physik.

1990

Die ersten CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) werden entwickelt. Im Gegensatz zu CCD-Sensoren werden hier die durch Photonen erzeugten Ladungen schon im Pixel in Spannung umgewandelt.

2006

Interoperabilität ist Trumpf: Neue internationale Industriestandards wie GenICam und GigE Vision erleichtern massiv die Integration von Bildverarbeitungskomponenten und tragen maßgeblich zum Branchenwachstum bei. Weitere Standards folgen.

2015

Die arm-Technologie hält Einzug in die Bildverarbeitung und ermöglicht kosten- und energiesparende Bildverarbeitungsanwendungen, für die bislang PCs zum Einsatz kamen. Unter dem Stichwort Embedded Vision erweitert die Bildverarbeitung in den Folgejahren ihr Marktpotential.

1979

Die ersten industrietauglichen Bildverarbeitungssysteme sind verfügbar.

1996

In Deutschland beginnt die Zukunft: Die Firma Vision Components bringt die erste intelligente Kamera auf den Markt. Bilddaten werden direkt in der Kamera verarbeitet und nur noch die Messergebnisse ausgegeben.

2011

Bildverarbeitung ermöglicht als Schlüsseltechnologie die nächste Stufe der Automatisierung für Industrie 4.0.

2015

Die deutsche Bildverarbeitungsindustrie erzielt laut VDMA einen neuen Umsatzrekord und durchbricht erstmals die Schallmauer von 2 Milliarden Euro Umsatz.

1987

Die VISION – Leitmesse der Bildverarbeitung und internationaler Branchentreffpunkt – findet zum ersten Mal statt.

2004

Der Wechsel von analoger zu digitaler Kameratechnik beginnt in der industriellen Bildverarbeitung mit der Einführung der FireWire-Technologie. In den Folgejahren werden die Auflösungen von digitalen Kameras immer größer und ermöglichen die Implementierung von höheren Qualitätsstandards in den Kundenindustrien.

2012

War die industrielle Bildverarbeitung bislang auf 2D-Anwendungen beschränkt, so stehen jetzt industrietaugliche Sensoren zur Verfügung, die mit einer Aufnahme zuverlässig 3D-Daten liefern.

2016

Bildverarbeitung goes Deep Learning. Auf der Branchenleitmesse VISION zeigen Standard-Softwareprodukte, wie diese neue Technologie für Bildverarbeitungsanwendungen gewinnbringend eingesetzt werden kann.

Welche Art von „Augen“ für eine Maschine benötigt wird, hängt von ihren Aufgaben ab: Mikroskopie, Maschinenbau, Medizin, Umweltschutz, Astronomie oder Fußballstadien – die Einsatzmöglichkeiten sind fast unbegrenzt. Doch alle Systeme arbeiten nach demselben Schema: Die aufgenommenen Bilder werden mit einer passenden Software analysiert, identifiziert und bewertet.

Staubsauger mit Argusaugen

Klein und überall integriert – Embedded Vision nennt sich Bildverarbeitung, die in allen möglichen Geräten (Handys, Autos, Staubsauger etc.) direkt eingebettet ist. Die Geräte können nun „sehen“ und sind dadurch schlauer, besser und sicherer.

Entwicklung und Geschichte

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Fortschritt im Blick

Sehende Maschinen sind heute schon überall im Einsatz – von der Erkennung von Lebensmitteln im Supermarkt bis zu gigantischen Bauprojekten für Tunnel oder Hochhäuser.

10 gute Gründe für den Einsatz von Bildverarbeitung

Die Bildverarbeitung und sehende Maschinen haben sich in den vergangenen Jahren überdurchschnittlich entwickelt und sind aus der modernen Industrielandschaft sowie aus Teilen des täglichen Lebens nicht mehr wegzudenken. Die Gründe dafür sind:

1. Hohes Einsparpotential

Bildverarbeitungssysteme senken Kosten. Oft amortisieren sie sich schon innerhalb weniger Monate.

2. Höchste Produktqualität dank 100 %-Kontrolle

Am laufenden Band Qualität produzieren, 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche – teure Rückrufaktionen, Produkthaftungsfälle und Imageschäden werden dank sehender Maschinen vermieden.

3. Sichere Produktion, sichere Produkte

Bildverarbeitung sorgt für Sicherheit – im Produktionsprozess und beim fertigen Produkt.

4. Nachhaltigkeit

Verbesserter Umweltschutz durch eine optimierte Nutzung von Ressourcen, ein effizienteres Recycling, reibungslose Materialflüsse sowie ein schonender Einsatz von Energie – Bildverarbeitung macht’s möglich.

5. Stabile und optimierte Prozesse

Trends und Unregelmäßigkeiten in der Produktion früh erkennen – die Fabrik der Zukunft ist ohne Bildverarbeitung nicht realisierbar.

6. Flexibilität in der Produktion

Moderne Bildverarbeitungssysteme sind flexibel. Selbst Losgröße 1 wird machbar.

7. Benutzerfreundlichkeit

Spezifische Programmierkenntnisse waren vielleicht früher erforderlich. Einfache Bedienbarkeit, problemlose Einrichtung und nahtlose Integration in den Produktionsprozess sind heute schon längst eine Selbstverständlichkeit.

8. Eine Technologie für den Menschen

Mit und für den Menschen, im ständigen Einsatz für Sicherheit, Qualität und Effizienz – in den Fabriken und außerhalb. Die Optimierung von Verkehrsströmen, der perfekte Swing fürs Golfspiel, das Training von Ärzten, die Überprüfung von Muttermalen, Mülltrennung und Recycling und noch viele weitere Anwendungen – Bildverarbeitung nützt uns allen!

9. Höhere Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit

Die zeitgemäße Produktion ist automatisiert. Nur mit Bildverarbeitung können Unternehmen ihre Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig sichern, die Abwanderung von Schlüsseltechnologien verhindern, qualifizierte Arbeitsplätze schaffen und neue Märkte erobern.

10. Ergonomische Arbeitsplätze

Monotone und stupide Tätigkeiten übernimmt eine sehende Maschine – Bildverarbeitungssysteme unterstützen den Mitarbeiter, sorgen für ein perfektes Zusammenspiel von Mensch und Maschine und ermöglichen höherwertige sowie sichere Arbeitsplätze.

Die Zukunft wird sichtbar

Bildverarbeitungssysteme profitieren seit Jahren von den permanenten Leistungssteigerungen in der Sensor- und Prozessortechnik, von Verbesserungen bei der Übertragung großer Datenmengen und von Innovationen in der Algorithmik. Aufgrund des anhaltenden Fortschritts in diesen Bereichen erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten für sehende Maschinen ständig.

Neben dem Einsatz in der Produktion werden sehende Maschinen in Zukunft auch in vielen anderen Bereichen innovative Lösungen ermöglichen. An Ideen für künftige Anwendungen mangelt es nicht.

10 gute Gründe für den Einsatz von Bildverarbeitung

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Sehende Maschinen verändern das Leben

An vielen visionären Anwendungen von sehenden Maschinen wird bereits intensiv geforscht, einige davon befinden sich schon im Stadium der Erprobung. Hier einige Beispiele von Visionen für die Zukunft:

Sehende Autos

Die Automobilindustrie zählt traditionell schon immer zu den Vorreitern beim Einsatz innovativer Technologien. Diese Branche hat die Möglichkeiten der Bildverarbeitung erkannt und nutzt sie entsprechend in ihren Produkten, wo sie eine immer größere Rolle spielt: Fahrerassistenzsysteme sorgen schon heute für mehr Sicherheit.

In Zukunft werden das Auto und andere mobile Maschinen zunehmend vernetzt und selbständig fahren. Das geht nur mit Bildverarbeitung!

In Zeiten zunehmender Automatisierung in Produktion, Design, Qualitätssicherung werden Maschinen, Algorithmen und ganze Fabriken intelligent. Darüber hinaus werden in Hinsicht auf hochautomatisches Fahren, intelligente Innenraumbeobachtung und fortschrittliche Fahrassistenz- und Komfortfunktionen unsere Autos zu „sehenden Maschinen“. Dabei spielen hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Sensorik wie auch an die Effizienz und Sicherheit der computergestützten und intelligenten Bildverarbeitung eine zentrale Rolle im Streben von Volkswagen, auch weiterhin erstklassige Mobilitätsprodukte für seine Kunden zu produzieren.

Dr. Peter SchlichtVolkswagen Group Research – Automated Driving

Da schau her!

Faszinierende Zahlen aus der Welt des Sehens und der Bildverarbeitung:

1

Mio.

Bildpunkte beträgt die Auflösung heutiger Standard-Industriekameras. Die maximal möglichen Auflösungen liegen noch deutlich darüber.
Quelle: VDMA, Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung

90

Prozent

aller Sinneswahrnehmungen des Menschen sind optische Reize.
Quelle: Wikipedia

10

Mal

pro Minute schließt sich das menschliche Augenlid. Ein 80-jähriger Mensch schlägt somit im Laufe seines Lebens über 420 Millionen Mal mit den Augenlidern.
Quelle: Wikipedia

100

Prozent

mehr Umsatz erzielte die deutsche Bildverarbeitungsbranche innerhalb der zehn Jahre von 2008 bis 2017.
Quelle: VDMA Branchenführer Industrielle Bildverarbeitung 2017/18

100.000

Bilder

pro Sekunde und mehr können spezielle Highspeed-Kameras aufnehmen, z. B. um extrem schnelle Vorgänge sichtbar zu machen.
Quelle: Mikrotron GmbH

24

Bilder

pro Sekunde beträgt derzeit die übliche Bildrate bei Kinofilmen. Das menschliche Auge nimmt bei dieser Geschwindigkeit in der Regel keine Verzögerungen mehr wahr.
Quelle: Wikipedia

120

Mio.

Stäbchen nehmen im menschlichen Auge die Helligkeit wahr. Rund 6 Millionen Zapfen erkennen Farben.
Quelle: Wikipedia

Die Bildverarbeitung als Treiber von Industrie 4.0 ist aus der modernen Fabrik nicht mehr wegzudenken und hat darüber hinaus längst unseren Alltag erobert. Ob Verkehrsleitsysteme, autonomes Fahren, Mülltrennung und Recycling oder Gesundheitsvorsorge – Bildverarbeitung macht’s möglich.

Dr. Olaf MunkeltVorsitzender des Vorstandes der VDMA Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung

Weiterführende Links

VDMA Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung

In der Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung des VDMA Robotik + Automation sind über 110 Unternehmen organisiert.

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Video: Bildverarbeitung in der Landwirtschaft von morgen

Sehende Agrardrohnen können Bauern bei der Optimierung der Landwirtschaft helfen.

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VISION: Die Weltleitmesse der Bildverarbeitung

In einem Turnus von zwei Jahren findet in Stuttgart die internationale Leitmesse zum Thema Bildverarbeitung statt.

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automatica: Bildverarbeitung im Zusammenspiel mit Robotik und Handhabung

Wie Bildverarbeitung im Zusammenspiel mit Robotik und Handhabung für wirtschaftliche Produktionsprozesse sorgt, zeigt die Fachmesse automatica in München.

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Autoren

Anne Wendel

Referentin, VDMA Robotik + Automation

Seit 2014 ist Anne Wendel im VDMA für die Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung mit rund 115 Mitgliedsunternehmen zuständig. Arbeitsschwerpunkte sind statistische Analysen, Standardisierung, Marketingaktivitäten, Öffentlichkeitsarbeit, Messepolitik sowie Networking-Veranstaltungen und Konferenzen.

Peter Stiefenhöfer

Inhaber des Pressebüros PS Marcom Services

Peter Stiefenhöfer ist Inhaber des Pressebüros PS Marcom Services, das Firmen und Institutionen aus dem Bereich Bildverarbeitung bei deren Pressearbeit unterstützt. Aufbauend auf seinem Ingenieurstudium (Fachbereich Fertigungstechnik) verfügt er über rund 25 Jahre Berufserfahrung in der Bildverarbeitung und war in dieser Zeit als Redakteur bei einer Fachzeitschrift sowie als Presse- und Marketingverantwortlicher in einem europaweit führenden Unternehmen aus diesem Bereich tätig.