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Industrielle Bildverarbeitung

Systeme für die industrielle Bildverarbeitung und optische Produktionsüberwachung

Damit die IBV-Systeme in bestehende Produktionssysteme erfolgreich integriert werden können, müssen die notwendigen technologischen Voraussetzungen hinsichtlich Verfügbarkeit, Reproduzierbarkeit und standardisierten Schnittstellen gewährleisten. Um sich den Herausforderungen von kürzeren Innovations- und Produktlebenszyklen, Null-Fehler-Produktion und der Komplexität neuer Technologien stellen zu können, müssen industrielle Bildverarbeitungssysteme (IBV-Systeme) und ihre technologischen Schlüsselkomponenten in automatisierten Produktionen konfigurierbar (adaptiv, agil und antizipativ) sein, d.h. sich auf ändernde Produktvarianten anpassen können, mit der entsprechenden Prüfgeschwindigkeit die Anforderungen des Fertigungstaktes erfüllen und als sensorischer Informationsgeber für Qualitätsprognosesysteme die Prozessstabilität gewährleisten.
Obwohl moderne Algorithmen für die Kompression und die Datenanalyse große Fortschritte in der Bildverarbeitung ermöglicht haben, werden für diese noch immer Computer mit einer sehr großen Performance benötigt. Gerade bei Aufgaben wie der Intelligent Surveillance und der Prozessüberwachung und -steuerung in 3D über optische Sensoren müssen sehr große Datenmengen in Echtzeit verarbeitet werden. Nur ein großer RAM Arbeitsspeicher und schnelle Prozessoren mit Unterstützung geeigneter GPU sowie nach Möglichkeit die Mitarbeit weiterer Komponenten ermöglichen es, intelligente Systeme und Kameras in der realen Zeit auszuwerten. Dafür bieten sich unterschiedliche Varianten an: spezialisierte Embedded PC, Server mit mehreren Prozessoren und einer schnellen Netzwerkanbindung an die peripheren Geräte oder sogar Cluster auf Basis industrieller Lösungen wie Compact PCI (cPCI), PC/104, passiven Backplanes mit CPU Boards oder 19 Zoll Rackmount Hochleistungsrechner mit speziellen Koprozessoren z. B. von NVIDIA und AMD.

Selbst ohne eine weitere Verarbeitung ist die Aufnahme und Speicherung von Daten aus der Bilderfassung sehr ressourcenintensiv. Es gilt hier stets, dass mangelnde Performance automatisch die Qualität und die Verwertbarkeit des Materials beeinträchtigt. Anders als bei aufwendigen Berechnungen gehen Informationen in der Surveillance sofort und unwiderruflich verloren, falls angeschlossene Systeme und Kameras nicht in der Lage sind, das Material in Echtzeit aufzunehmen und zu verarbeiten. Im schlimmsten Fall bedeutet dies, dass die gesamte Bilderfassung zu praktisch unbrauchbaren Ergebnissen führt. Da mit der Vergrößerung der Auflösung und der Farbqualität die Datenmenge exponentiell ansteigt, vervielfacht sich der Aufwand mit jeder Detailstufe. Gleichzeitig existieren zahlreiche Bereiche, in denen eine maximale Genauigkeit ein wichtiger Faktor für den Erfolg ist. So entscheiden Schnelligkeit und Bildqualität bei der Surveillance und der Videoüberwachung gefährdeter Bereiche ebenso wie bei der Telemedizin oder noch stärker bei minimalinvasiven Eingriffen mit Sonden über den Erfolg der gesamten Operation.

Die Technologie ist in allen diesen Bereichen weit über den Punkt fortgeschritten, an dem lediglich eine exakte Darstellung und Speicherung ohne Zeitverzögerung bewerkstelligt werden muss. Moderne Systeme und Kameras erlauben eine gleichzeitige Interpretation der Daten und eine Aufbereitung, um wichtige Merkmale gezielt von weniger wichtigen Informationen zu trennen und optisch hervorzuheben. So können Überwachungskameras automatisch verdächtige Situationen analysieren und sich anschließend gezielt ausrichten, medizinische Sonden unterschiedliche Gewebe erkennen und durch Einfärbungen markieren oder Prozesse bis auf Mikrometer analysiert und gesteuert werden. Da jede Kommunikation praktisch eine Zeitverzögerung bedeutet, sind in diesen Bereichen spezialisierte Computer in lokaler Nähe unverzichtbar, die alle Signale on-the-fly aufnehmen, verarbeiten und Ergebnisse unmittelbar weiterleiten.

Um diesen Herausforderungen angemessen zu begegnen, müssen die PC Systeme und Kameras in ihrer Leistung exakt aufeinander abgestimmt werden. Gleichzeitig müssen angeschlossene Computer ausreichend Performance und zusätzliche Ressourcen besitzen, um auch bei hoher Belastung beispielsweise durch schnelle Situationswechsel unverzüglich reagieren und die notwendigen Schritte einleiten zu können. Für ein erfolgreiches und zuverlässiges System müssen deshalb neben der Bilderfassung weitere Parameter berücksichtigt werden, die die Leistung zusätzlich stark beeinflussen. Dazu zählen die Weiterverarbeitung und die Interpretation der Daten ebenso wie die Kompression und die Überwachung des Netzwerkverkehrs, um sämtliche Informationen auf unabhängigen Log-Servern für eine eventuelle Analyse zu speichern.

Angesichts diese Herausforderungen bietet sich für Bilderfassung und das Surveillance eine Kombination aus leistungsfähigen IT-Geräten an, bei denen Aufgaben wie Datenverarbeitung und -darstellung von Speicherlösungen getrennt werden. Dadurch werden die Belastungsspitzen in der Performance entzerrt und auf verschiedene Instanzen aufgeteilt, so dass die Steuercomputer ihre Ressourcen in den Dienst der primären und wichtigsten Aufgaben stellen können. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch ein Ausbau der IT-Infrastruktur, um Datenverluste auf dem Weg über das Netzwerk zu verhindern und die parallele Anbindung von IP-Devices wie Kameras zu erlauben. Deshalb sind Switches und Router selbst in der Bildverarbeitung von entscheidender Bedeutung und müssen neben der Performance des direkten Systems berücksichtigt werden.
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