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Sehr komplexe Bildverarbeitung für eine hochsensible Sphäre - objektiver Scharfrichter

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Sehr komplexe Bildverarbeitung für eine hochsensible Sphäre
Objektiver Scharfrichter

 

Die angenehmen Vorteile des Head Up Displays (HUD) im PKW als Ausstattungsoption haben eine kaum erwartete rasante Nachfrage ausgelöst. Die für das HUD erforderliche  Qualitätskontrolle mittels Bildverarbeitung war nicht nur absolutes Neuland, sondern auch ein sehr problematisches Aufgabengebiet, denn die menschliche visuelle Wahrnehmung ist individuell und mit Emotionen behaftet.

 

Die HUD-Qualitätskontrolle beim Automobilhersteller BMW, derzeit in den Fertigungslinien der 5er- und 6er Reihe installiert, repräsentiert in herausragender Weise die Leistungsfähigkeit von äußerst anspruchsvoller industrieller Bildverarbeitung auf höchstem Niveau.

Das Head Up Display ist ein von der Siemens VDO Automotive entwickeltes und hergestelltes Fahrerinformationsgerät. Die bildgebende Einheit im HUD projiziert über mehrere Spiegeloptiken auf die schräg reflektierende Windschutzscheibe ein virtuelles Bild. Diese Displayanzeige wird in einer scheinbaren Entfernung von etwa 2 m in das Sichtfeld des Fahrers eingeblendet. Dadurch kann der Fahrer innerhalb des normalen auf das Straßengeschehen gerichteten Sichtfeldes alle wichtigen Informationen von Fahrzeug und Navigation wahrnehmen. Die äußerst komfortable Funktion erübrigt den sonst erforderlichen Wechsel der Blickrichtung auf die Fahrzeugarmaturen, und ermöglicht eine optimale Informationsvermittlung bei minimierter Konzentrationsablenkung!

 

Vielschichtige diffizile Herausforderung
Der Mensch reagiert individuell sehr empfindlich auf unterschiedliche Störungen und Beeinflussungen  seiner visuellen Wahrnehmung. Unschärfen, Kontrastprobleme und Verzerrungen können sehr schnell zu Emotionen führen und die Akzeptanz von Display-Informationssystemen erheblich beeinflussen. Eine verzerrte Zahl oder ein Symbol irritiert den Betrachter und er empfindet dies als sehr unangenehm. Das gilt auch für ein nur geringfügig verdrehtes Head Up Display, das ständig im Vergleich mit der Straße, Markierungen, oder auch senkrechten Linien von Häusern oder der Garageneinfahrt steht. Darum stellt die Abbildungsqualität des projizierten ’scheinbaren’ Displays im kundenfertigen Fahrzeug den Maßstab dar für die Akzeptanz des HUD beim Benutzer.

Die Planungen beim Automobilhersteller BMW in München betrafen die Einführung eines Head Up Displays als Ausstattungsoption für die neuen Autotypen der 5er- und 6er Reihe. Dafür benötigte die Abteilung „Technische Integration – Gesamtfahrzeugprüfungsprozess / -analyse“ am Forschungs- und Innovationszentrum von BMW in München die industrietaugliche Lösung einer exakten Qualitätskontrolle. Ein auf Bildverarbeitung basierendes industriegerechtes Qualitätskontrollsystem für das  Head Up Display gab es weltweit nicht und auch keine ähnlichen Lösungen. Es galt eine absolute Neuentwicklung mit hoher Funktionssicherheit innerhalb eines knappen Zeitrahmens zu realisieren.

Zwar hatte man für die Kontrolle der Abbildungsqualität von Head Up Displays laborbezogene und zeitaufwendige Messmethoden entwickelt, aber damit war man noch weit entfernt von einer Lösung für den laufenden Produktionsbetrieb. Diese Untersuchungen lieferten wichtige Vorgaben in der   Erstellung des Pflichtenheftes für dieses Projekt der Qualitätssicherung. Erschwerend kam hinzu, dass dieses Qualitätssicherungssystem das Zusammenspiel von Frontscheibe und Projektion im verbauten Zustand des Fahrzeugs absolut zuverlässig bewältigen musste. Am Ende des Fliesbandes, kurz vor der Kundenübergabe, sind auch nur geringste Beschädigungen am bereits vollkommen fertigen Fahrzeug absolut auszuschließen.

Auf Grundlage des Pflichtenheftes wurden von der BMW Abteilung „Technische Integration“ (im weiteren TI) Angebote einer auf Bildverarbeitung basierenden Lösung für das benötigte HUD-Qualitätssicherungssystem von verschiedenen Vision-Systemhäusern eingeholt. Mitte des Jahres 2002 entschied man sich für das Angebot der Firma Gefasoft GmbH aus Regensburg, die auch (PSI) Partner System Integrator von Cognex ist. Die Regensburger Systemlösung mit seinen soliden und weit gediehenen Lösungsansätzen überzeugte die Verantwortlichen bei BMW.

 

Kompetenz – Summe aus Wissen und Erfahrung
Bei der enormen Komplexität der Aufgabe war ausgeprägte Teamarbeit unerlässlich. Denn, es musste das ganze Wissen und die Erfahrung aller drei Teams – von Gefasoft, Abteilung TI bei BMW und die  Produktion – in einem möglichst reibungslosen Zusammenspiel bestmöglich verzahnt werden. Es galt viele Schlüsselschritte der Kundenwertigkeit exakt zu definieren und deren Messbarkeit zügig zu realisieren. Welche Fakten und Kriterien des HUD sind für den Autokunden wichtig. Viele Quantitative und Qualitative Messgrößen mussten gefunden, bestimmt und exakt beschrieben werden. All diese Parameter sind in der laufenden unterbrechungsfreien Produktion, schnell und effizient, mit gleich bleibender Präzision zu überprüfen. Die Taktrate des Produktionsbandes bestimmte die Prüfzeit, und natürlich hatte sich das komplette HUD-Prüfsystem in einem vorgegebenen Zeitrahmen und entsprechender Fahrzeug-Stückzahl zu amortisieren. Das Prüfsystem musste sowohl für die Linkslenker als auch für die Rechtslenker einsetzbar sein. Außerdem war die Vorgabe zu erfüllen, dass das HUD-Prüfsystem in die konzernweite Informations- und Dokumentationsstruktur einer vollständigen Rückverfolgbarkeit – Traceability – eingebettet wird.

 

Objektiv und unbestechlich
Die subjektive Wahrnehmung des menschlichen Auges kann vieles bewusst oder auch unbewusst wegkompensieren. Das HUD-Prüfsystem musste letztendlich ein derartig objektives Qualitätsergebnis liefern, das schärfer und sicherer urteilt als der vor dem HUD sitzende Mensch. Die Messgenauigkeit der Qualitätsprüfung muss dementsprechend deutlich besser sein als die Wahrnehmungsfähigkeit des Menschen. Bereits in der Machbarkeitsstudie und Projektierung dieser Aufgabe war klar, dass dies nur mit einem PC-basierten Hochleistungs-Bildverarbeitungssystem zu bewältigen war. Leistungsstarke Hardware war gefragt und die Algorithmen der Vision-Software mussten mit höchster Sicherheit und Präzision arbeiten.

 

Dazu bemerkt Dr.-Ing. Norbert Eichhorn, HUD-Projektleiter bei Gefasoft: „Das Thema Präzision im  Subpixelbereich der Bildverarbeitung war letztendlich substanziell im Hinblick auf die notwendige Prüfqualität.“

 

Für die Bildaufnahme werden Kameras an vordefinierten Positionen im Fahrzeug mit hoher örtlicher Präzision angebracht. Mit Hilfe dieser Kameras werden jeweils Testbilder für die anschließende Bewertung aufgenommen, um alle relevanten Parameter zu erfassen.

Die große Zahl generierter Testbilder der gleichzeitig arbeitenden Kameras erfordert eine sehr hohe  Performance der Bildverarbeitungshardware und der -Software. Diese Anforderung ist nur mit einem PC-basierten Bildverarbeitungssystem zu realisieren. Eingesetzt wurden die Hochleistungs-Framegrabber der Familie MVS 8000 von Cognex in Verbindung mit einem Multiplexer.  

Für die Bewertung aller relevanten Merkmale sind in Summe ca. 50 Testbilder, verteilt auf die vordefinierten Kamera-Positionen, mit den Bildverarbeitungs-Algorithmen zu überprüfen. Durch Priorisierung der Merkmale sowie Optimierung der bewerteten Testbilder konnte die Anzahl der im Serienprozess notwendigen Testbilder und somit die benötigte Prozesszeit reduziert werden. Dennoch sind immer noch enorme Datenmengen in sehr kurzer Zeit zu bewältigen. In der laufenden Produktion sind es gegenwärtig rund 30 zu bewältigende Merkmale pro Kamera und Testbild.

 

Im zweischichtigen Betrieb und dem eingegrenzten Zeitrahmen des Produktionstaktes darf bei BMW nichts ins Stocken geraten. In einem Zeitfenster unter zwei Minuten muss die komplette Bildaufnahme und -auswertung abgeschlossen sein. Das ist natürlich auch ein Thema der sehr präzisen Mechanik und des exakten Handlings. Die komplette Prüfeinrichtung muss in das Fahrzeug – im laufenden Produktionsband – einschwenken, exakt positioniert, fixiert und wieder aus dem Fahrzeug entfernt werden. Dabei steht  für die Bildaufnahme und die BV-Rechenzeit einer kompletten Kontrolle nur das Zeitfenster von etwa 30 Sekunden zur Verfügung. Um jedweden Flaschenhals in der Produktionslinie – auch bei enger  Abfolge von Fahrzeugen mit HUD - zu vermeiden ist eine hundertprozentige Taktratenfähigkeit vorgeschrieben.

 

Algorithmen höchster Zuverlässigkeit
Die projizierten virtuellen Bilder haben eine ganze Reihe von optischen Eigenschaften, welche die Bildauswertung deutlich erschweren. Dennoch darf bei der Qualitätskontrolle unter wechselnden Umgebungsbedingungen in der Produktion kein Fehler durch die Bildverarbeitung entstehen. Dazu zählt unter anderem zum Beispiel das Problemthema ‚Kontrast der Displays’, unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen.

Von großem Vorteil erwiesen sich die Visiontools aus der CVL Cognex Vision Library. Diese ermöglicht einen komfortablen wechselseitigen Zugriff auf unterschiedliche Programmierungsebenen bis in die Tiefen der Visionsoftware, mit der Möglichkeit präziserer Detailoptimierung. Dadurch konnte die endgültige Lösung – mit Auswahl der Tools, das  Parametrisieren, Verknüpfungen und Detailprogrammierung – mit höherer Funktionssicherheit und kürzerer Entwicklungszeit abgeschlossen werden.

Die nach geometrischen Grundstrukturen arbeitenden Visiontools von Cognex zeichnen sich ganz besonders durch ihre extreme Funktionssicherheit aus. Die wichtigsten Einzelmerkmale im Objektbild wie Kanten, Abmessungen, Formen, Winkel, Bögen und Schattierungen werden isoliert identifiziert. Die räumlichen Verhältnisse zwischen diesen zentralen Merkmalen des eintrainierten Bildes werden mit dem Echtzeit-Bild verglichen. Aus der Analyse der geometrischen Informationen - sowohl der Merkmale als auch deren räumliche Relation - wird dann die Position des Objektes eindeutig und mit höchster Genauigkeit bestimmt. Merkmale wie z.B. Konturen mit geringem Kontrast können dadurch wesentlich zuverlässiger, genauer und schneller erkannt werden. Diese Visiontools erschließen auch die sehr hohen Auflösungen bis in den Subpixelbereich und sichere Winkelbestimmungen von Objekten bis 0,02 Grad. Durch gleichzeitige Untersuchung von Kontur und Struktur des Objektbildes werden die Einflüsse  wechselnder Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse eliminiert. Diese Eigenschaften erweisen sich als Vorteil in der Detektion von Verzerrungen und Verdrehungen der Head Up Displays. Die Komplexität in der Analyse der zu erkennenden Merkmale erforderte gerade in der Anfangsphase der Anlageninstallation immer wieder eine Optimierung der Visionsoftware. Die Funktionssicherheit der Visiontools war ein ganz wichtiger Aspekt im Hinblick auf die von BMW spezifizierte Anlagenverfügbarkeit, die letztendlich sehr deutlich über 99% liegen musste.

Ein wichtiger Aspekt waren auch die Schnittstellen zum Werksdiagnosesystem der Werksinstandhaltung. Jedes BV-System muss bei BMW gewisse Standards erfüllen, und  zu diesen Systemlieferanten zählt seit Jahren auch Cognex. Anfangs interessierten zwar sehr wohl die Details der BV-Software, um zu kontrollieren ob die Analysen auch schlüssig sind. Später interessierte nur mehr die zuverlässige Arbeitsweise des Gesamtsystems. Letztendlich läuft die BV für das Personal am Band als Blackbox ab. Die Einstellung von Grenzwerten erfolgt über das Werksdiagnosesystem. Das wird gleichsam global parametrisiert, deshalb ist auch keine Insellösung zulässig.

 

Erfolg als Multiplikator
In der Realisierung des Projektes HUD-Qualitätssicherung bis Ende 2003 waren viele Schritte bis zur Annäherung an die exakte Lösung zu bewältigen. In intensiver Teamarbeit wurden viele offene Fragen - der Bildverarbeitung, der präzisen Mechanik, des Handlings, der Produktionsintegration, der Schnittstellen bis hin zum Traceability – gelöst. Dabei erwies sich die Zusammenarbeit mit dem  kompetenten Partner Gefasoft in regionaler Nähe als großer Vorteil, denn im engen Terminplan bot das Unternehmen mit hoher Flexibilität und schneller Reaktionsfähigkeit einen außerordentlich wichtigen Beitrag zur Gesamtlösung. 

Mit dem Jahreswechsel 2003/2004wurden die ersten HUD-Prüfsysteme installiert. Die überzeugenden Ergebnisse sicherer  Funktionsweise bewirkten, dass weitere HUD-Prüfsysteme auch in der Normalserienproduktion im Werk Dingolfing installiert wurden. Heute arbeiten bei BMW rund um die Uhr etwa ein Dutzend HUD-Prüfsysteme und garantieren für die einwandfreie Anzeigequalität der Head Up Displays. Die Prüfergebnisse werden im zentralen Server in einer Datenbank abgelegt und ermöglichen die vollständige Rückverfolgbarkeit. Die Prüfbilder sind archiviert, und bei Kundenreklamationen kann selbst nach Jahren der einwandfreie Auslieferungszustand nachgewiesen werden.

Für weitere Informationen: www.cognex.net und www.gefasoft.com 

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