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13.11.1987 - 

Automatische Endkontrolle steckt noch in den Kinderschuhen:

Qualitätsanforderungen gelten auch für Prüfsysteme

Eine wichtige Anwendung für bildverarbeitende Systeme liegt in der Automatisierung der Qualitätskontrolle, insbesondere bei Anwendung von Verfahren der Sichtprüfung. Die Entwicklung ausreichend leistungsfähiger und kostengünstiger Hardware erschließt hier neue Bereiche. Beim praktischen Einsatz dieser Technik sind diverse Faktoren zu berücksichtigen, die die Leistungsfähigkeit eines solchen Systems maßgeblich beeinflussen.

Bisher wurden die Aufgaben der Sichtprüfung nur zu einem geringen Teil automatisch bearbeitet. Im Rahmen der weiteren Fertigungsautomatisierung ist die Industrie bemüht, auch im Bereich der Qualitätskontrolle eine Rationalisierung und insbesondere bei den Sichtprüfungen eine Objektivierung der Messungen zu erreichen.

Für viele Problemstellungen der visuellen Qualitätsprüfung stehen schon Algorithmen zur Verfügung. Es handelt sich dabei jedoch oft um Laborversionen, deren Bewährung unter industriellen Einsatzbedingungen noch aussteht.

Das Interesse der Industrie an einem solchen Einsatz von Bildverarbeitungssystemen ist groß. Im Gegensatz dazu steht die Zurückhaltung der Unternehmen bei der praktischen Anwendung dieser neuen Technik, was unter anderem auf oftmals überzogene Erwartungen bezüglich des Leistungsvermögens und auf Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit solcher Systeme zurückzuführen ist.

Im folgenden werden die Möglichkeiten und Schwierigkeiten beim praktischen Einsatz von Bildverarbeitung und Mustererkennung in der Qualitätssicherung diskutiert. Hierbei wird insbesondere auf folgende Fragestellungen eingegangen:

- Welche Randbedingungen sind beim Einsatz von Bildverarbeitungssystemen in der Qualitätskontrolle zu beachten und mit welchen Maßnahmen lassen sich diese Bedingungen erfüllen?

- Welche Angaben sind für eine vollständige Beschreibung der Prüfaufgabe, die als Lastenheft für den Entwickler von Bildverarbeitungssystemen dienen soll, notwendig?

- Wie laßt sich die Leistungsfähigkeit solcher Systeme prüfen?

Die in diesem Beitrag dargelegten Erkenntnisse basieren auf Erfahrungen, die der Rheinisch-Westfälische TÜV e.V (RWTÜV), Essen, bei Arbeiten zur Entwicklung von kundenspezifischen Bildverarbeitungssystemen für die Industrie (zum Beispiel zur Randwinkelmessung an Tropfen, Batterieprüfung, Prüfung von lichtdurchlässigen Platten, Identifikation von Werkstücken bei der Montage) gesammelt hat.

Bildverarbeitung in mehreren Schritten

Ein Bildverarbeitungssystem besteht im wesentlichen aus vier Komponenten - dem Aufnahmesystem dem Rechner mit den Bildverarbeitungsprozessoren, einem Monitor und einer Ein-/Ausgabe-Station.

Das zu prüfende Objekt wird in seiner Umwelt (zum Beispiel der Fördereinrichtung) aufgenommen. Die Verarbeitung dieser Aufnahmen wird von den Bildverarbeitungsprozessoren durchgeführt. Über den Monitor kann das erfaßte Bild oder das Ergebnis einer Bildauswertung angezeigt werden. Die Ein-/Ausgabe-Station dient dem Benutzer zur Eingabe von Steuerbefehlen, zum Empfang von Meldungen sowie zur Ausgabe von Ergebnissen.

Ziel der Bildauswertung ist die Reduktion der vielen Daten eines Bildes auf wenige Daten eines Ergebnisses. Nach der Aufnahme eines Grautonbildes wird die Vorverarbeitung durchgeführt. Hierbei wird eine Bildverbesserung und eventuell durch Segmentierung eine Aufteilung des Bildes in Teilobjekte versucht. Daran anschließend werden die für die Auswertung notwendigen Informationen als Merkmale aus dem Bild extrahiert. Die nun vorliegenden Daten lassen sich in einem weiteren Schritt zu dem gesuchten Ergebnis verdichten, was durch Auswertung mit üblichen mathematischen Verfahren oder durch Interpretation mit Mustererkennungsmethoden erreicht werden kann.

Bei der Qualitätskontrolle in der Industrie ist vielfach der Einsatz von automatischen Bildverarbeitungssystemen sinnvoll. Bei solchen Systemen ist der Auswertealgorithmus weitgehend festgelegt. Um dennoch eine hohe Flexibilität zu erreichen wird bei diesen Systemen eine Anpassung des Algorithmus an das zu untersuchende Objekt durchgeführt. In einer Lernphase werden dabei die Parameter für die automatische Auswertung bestimmt.

Die Qualität von Produkten wird beurteilt anhand von Messungen zu den Ausprägungen der Qualitätsmerkmale. Die gemessenen Werte werden verglichen mit einem geforderten Soll-Wert unter Berücksichtigung einer zulässigen Toleranz. Somit ist die maximal zulässige Ungenauigkeit des Meßverfahrens festzulegen in Abhängigkeit von der vorgegebenen Fertigungstoleranz. Als sinnvolle Größe hat sich eine Meßunsicherheit von 5 bis 20 Prozent der Fertigungstoleranz ergeben.

Bei herkömmlichen Meßmethoden ist die Zuverlässigkeit und Meßgenauigkeit des Meßgerätes im wesentlichen durch technische und physikalische Zusammenhänge festgelegt.

Die Meßgenauigkeit bei der Bildverarbeitung wird von verschiedenen Faktoren beeinflußt, die sich jeweils beim Transformieren der Informationen auswirken. Bei der Aufnahme des realen Objekts und dessen Umsetzung in eine Bildmatrix wirken sich das gerätetechnisch bedingte Auflösungsvermögen, der Bewegungszustand des Objekts und die Umgebungsbedingungen (Beleuchtung, Schmutz, Vibration) aus. Die Meßunsicherheiten, die bei der Extraktion der Merkmale aus der Bildmatrix und bei der Auswertung dieser Merkmale entstehen, werden durch die Ungenauigkeit der verwendeten mathematischen Algorithmen und Mustererkennungsverfahren in Form von Rechenprogrammen hervorgerufen. Hierbei ist auch entscheidend, inwieweit Randbedingungen wie die Variabilität der Objekteigenschaften oder der Ordnungszustand der Objekte bei der Auswahl der Algorithmen beachtet wurden. Beim Einsatz von Bildverarbeitung in der Qualitätskontrolle muß somit die geforderte Meßgenauigkeit sowohl bei der Auswahl der Hardware als auch bei der Entwicklung der Auswertesoftware berücksichtigt werden.

Bei der Untersuchung von Bildverarbeitungsaufgaben in der Qualitätskontrolle stellt man fest, daß für nahezu jede Anwendung ein spezielles Bildverarbeitungssystem zu entwickeln ist. Bei der Realisierung solcher individueller Systeme müssen folgende allgemeine Anforderungen im Hinblick auf den industriellen Einsatz erfüllt werden:

- Leistungsfähigkeit: Das System muß in der Lage sein, die ihm gestellte Aufgabe mit wenigstens der gleichen Zuverlässigkeit und Genauigkeit zu lösen, die bisher erreicht wurden. Es soll eine hohe Erkennungsrate besitzen und unempfindlich gegen Veränderungen im Umfeld (zum Beispiel Beleuchtungsschwankungen, Schumtz, Vibration) sein.

- Flexibilität: Das System soll schnell und leicht umrüstbar sein bezüglich neuer Produktvarianten und neuer Fehlertypen, um für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt

werden zu können. Zusätzlich wird gefordert, daß das System unempfindlich gegen Streuungen gewisser Produkteigenschaften ist und sich auf eine veränderte Situation automatisch einstellt.

- Schnelligkeit: Das System soll bei der Verarbeitung der Bilder Schritt halten mit der Durchsatzrate der industriellen Anlage.

- leichte Bedienbarkeit: Das System muß vom normalen Werkpersonal (nicht von Bildverarbeitungsexperten) bedient werden können.

- Wirtschaftlichkeit: Für die Einführung eines Bildverarbeitungssystems wird ein vernünftiges Kosten/ Nutzen-Verhältnis gefordert.

- garantierte Wartung: Um eine hohe Verfügbarkeit des Systems sicherzustellen muß ein Kundendienst für die kurzfristige und schnelle Behebung von Fehlern bereitstehen.

Um den hohen Anforderungen an ein industriell einsetzbares Bildverarbeitungssystem genügen zu können, ist die Durchführung folgender Maßnahmen notwendig:

- Abklärung der Anforderungen und Anfertigung einer vollständigen, präzisen Spezifikation zu dem zu entwickelnden System

- gründliche Voruntersuchungen zu den Aufgabenstellungen des Systems unter Berücksichtigung aller auftretenden Objekt- und Fehlertypen sowie der technischen Einflußgrößen und Randbedingungen am Einsatzort,

- Durchführung von Qualitätssicherungsmaßnahmen bei der Entwicklung der Software,

- Anfertigung einer vollständigen, detaillierten Dokumentation des Systems sowohl für den Anwender in Form einer Benutzeranweisung als auch für den Entwickler im Hinblick auf spätere Änderungen des Systems,

- Auswahl eines zuverlässigen Hardwarelieferanten und Softwareentwicklers, bei denen mit einer schnellen Reaktion in Fehlerfällen gerechnet werden kann.

Neben dieser Vorgehensweise sollten aber weitere Maßnahmen, die den Systemaufbau, die Auswahl der Qualitätsmerkmale, die Aufnahme der Bilder und die Mensch-Maschine-Schnittstelle betreffen, berücksichtigt werden.

Wegen der geforderten Flexibilität sollte die Hard- und Software modular aufgebaut sein, damit die Anpassung eines allgemeinen Grundkonzepts an die jeweilige Aufgabenstellung leicht möglich ist. Um ein günstiges Kosten/Nutzen-Verhältnis zu erreichen und eine gute Wartbarkeit sicherzustellen, sollten bei industriellen Bildverarbeitungssystemen möglichst fertig vorhandene und vom Markt gut unterstützte Standardkomponenten eingesetzt werden. Dabei ist zu prüfen, inwieweit Arithmetikprozessoren für schnelle Auswertungen zur Verfügung stehen.

Die Leistungsfähigkeit eines Bildverarbeitungssystems wird im wesentlichen durch das verwendete Aufnahmeverfahren und den eingesetzten Auswerte-Algorithmus festgelegt. Somit ist es notwendig, die störenden Einflüsse bei der Aufnahme zu minimieren und hinreichend aussagekräftige Qualitätsmerkmale auszuwählen. Hierbei sind folgende Maßnahmen nützlich:

- Umsetzung der bei der manuellen Prüfung gesammelten Erfahrungen in Qualitätsmerkmale, deren Ausprägungen sich mit Hilfe der Bildverarbeitung bestimmen lassen,

- Auswahl von Qualitätsmerkmalen, deren Ausprägungen schnell, zuverlässig und genau aus den Aufnahmen ermittelt werden können,

- geeignete Wahl von Beleuchtung, Aufnahmesystem und Objektanordnung nach Durchführung von Experimenten,

- Einschränkung der Umwelteinflüsse am Einsatzort durch Abschirmung mit konventionellen Mitteln, Im die schwierige und aufwendige Beseitigung von Störfaktoren bei der Auswertung zu vermeiden,

- eventuell Verwendung von Kurzzeitbeleuchtung (Stroboskop) zur Vermeidung von Bewegungsunschärfen,

- Hervorhebung von Objekteigenschaften in Aufnahmen durch Hilfsmittel wie Lichtschnittverfahren Projektion von Gitterlinien, Anbringung von Markierungen.

Die optimale Gestaltung der Aufnahme von Objekten bei einem Bildverarbeitungssystem führt zu einer wesentlichen Vereinfachung der Auswertung und damit zur Verringerung von Kosten.

Im Hinblick auf eine leichte Bedienbarkeit muß die Mensch-Maschne-Schnittstelle eines Bildverarbeitungssystems benutzerfreundlich gestaltet werden. Hierbei sind folgende Aspekte zu berücksichtigen:

- übersichtliche Gestaltung der Anzeigen, Eingabeelemente und Dialoge,

- Überwachung der Umgebungseinflüsse mit aussagekräftigen Fehlermeldungen bei unzulässigen Zuständen,

- einfache Prüfung des Systems auf Funktionsfähigkeit einschließlich einer Fehlerdiagnose,

- leichte Umstellung der Anlage auf neue Aufgaben.

Bei der Automatisierung von QuaIitätsprüfungen mit Hilfe von Methoden der Bildverarbeitung und Mustererkennung ist es zunächst notwendig, die Prüfanweisungen einer manuellen Prüfung in Anforderungen an das automatisch arbeitende System zu übersetzen. Diese Übersetzung erfordert einen intensiven Informationsaustausch zwischen Anwender und Entwickler des Bildverarbeitungssystems. Abschließend ist eine Beschreibung der Prüfaufgabe anzufertigen, die als Lastenheft für den Entwickler dienen soll.

Eine vollständige Beschreibung der gestellten Prüfaufgabe besteht aus Angaben zum Prüfling, zur Prüfstelle und zur Aufgabenstellung. Die Erläuterungen zum Prüfling sollen alle für die Prüfung notwendigen Informationen zu seinen Eigenschaften und zu seiner Umgebung enthalten. Zusätzlich werden Hinweise zum Transport des Prüflings benötigt. Zu den Prüfstellen soll angegeben werden, wo sich diese Stellen auf dem Prüfling befinden und unter welchem Blickwinkel sie sichtbar sind. In der Beschreibung der Aufgabenstellung ist festzulegen, welche Erscheinungen an den Prüfstellen analysiert werden sollen. Zu jeder Teilaufgabe sollten dabei Angaben über das Prüfmerkmal, die Ausprägung des Merkmals und die Toleranz des Merkmals gemacht werden. Zusätzlich sind die bei der Prüfung möglicherweise auftretenden Probleme und eventuell anfallende Nebenaufgaben (zum Beispiel Nachbessern oder Markieren) zu erläutern.

Angaben für das Lastenheft präzise formulieren

Neben der allgemeinen Beschreibung der Prüfaufgabe muß das Lastenheft für die Entwicklung von Bildverarbeitungssystemen Angaben über technische Einflußgrößen und Randbedingungen enthalten, die am Einsatzort des Systems vorliegen Dabei sind folgende Gesichtspunkte von Bedeutung:

- Umgebungsbedingungen

- Takt- und Darbietungszeit,

- Bewegungszustand,

- Ordnungszustand,

- Zugänglichkeit der Prüfstelle,

- Nachbarschaftsrelationen zwischen Merkmalen,

- Schnittstellen zu einem übergeordneten System,

- Ausgabe und Dokumentation von Ergebnissen,

- Prüfsicherheit,

- Umrüstbarkeit,

- Automatisierungsgrad,

- Variabilität der Objekteigenschaften und

- Systemspezifikationen (Verfügbarkeit, Wartung, Betriebsvorschriften).

Als Leitfaden zur systematischen Beschreibung von Aufgaben der Sichtprüfung kann der Entwurf der VDI/VDE-Richtlinie 2628/5/ dienen, wo man weitere Hinweise zu den notwendigen Angaben für ein vollständiges Lastenheft erhält.

Eine wichtige Voraussetzung für die Brauchbarkeit eines solchen Lastenheftes ist die präzise und überprüfbare Formulierung der Angaben. Sowohl bei der Beschreibung der Aufgabenstellung als auch bei den Angaben zu den technischen Einflußgrößen und Randbedingungen am Einsatzort sollten Abgrenzungen nach Möglichkeit so vorgenommen werden, daß eine Überprüfung anhand meßbarer Größen möglich ist. Solche genauen Angaben erleichtern dann die Auswahl von Testfallen für den Abnahmetest.

Bei der Übernahme eines in Auftrag gegebenen Bildverarbeitungssystems muß vom Anwender festgestellt werden, ob das System den gestellten Anforderungen genügt. Im

allgemeinen wird diese Prüfung der Leistungsfähigkeit des Systems auf der Basis von Testfällen durchgeführt, die vor der Entwicklung des Systems festgelegt wurden. Eine solche Prüfung ist jedoch nur von eingeschränktem Wert, wenn mit wenigen Testfällen nur einige Teilgebiete des gesamten Einsatzbereiches abgedeckt werden. Deshalb ist eine systematische Vorgehensweise im Hinblick auf die Prüfung der Leistungsfähigkeit eines solchen Systems notwendig.

Voraussetzung für die Überprüfung der Leistungsfähigkeit eines Bildverarbeitungssystems ist das Vorliegen einer vollständigen, präzisen und überprüfbaren Beschreibung der Prüfaufgabe. Eine solche Spezifikation ist für den Anwender und den Entwickler des Systems eine gemeinsame Basis bei der Beurteilung des Leistungsvermögens und kann vor Beginn der Entwicklungsarbeiten auch als Grundlage für die systematische Auswahl von Testfallen für den Abnahmetest dienen.

Bei der Auswahl der Testfälle ist darauf zu achten, daß sie repräsentativ für den gesamten Einsatzbereich des Bildverarbeitungssystems sind. Hierbei müssen die

unterschiedlichen technischen Einflußgrößen und Randbedingungen am Einsatzort genauso berücksichtigt werden wie die verschiedenen Aufgabenstellungen des Systems.

Für viele Aufgabenstellungen bei der Sichtprüfung in der Qualitätskontrolle lassen sich Bildverarbeitungssysteme einsetzen. Schwierigkeiten bereitet jedoch die Berücksichtigung der speziellen industriellen Randbedingungen, die bei jedem Einsatz individuell vorgegeben sind.

Für die Lösung dieses Problems ist einerseits die Anfertigung einer vollständigen, präzisen und überprüfbaren Beschreibung der Bildverarbeitungsaufgabe notwendig. Andererseits müssen die Testfälle für den Abnahmetest systematisch und repräsentativ ausgewählt werden, um überprüfen zu können, inwieweit das entwickelte System den Anforderungen des Anwenders genügt.

Bei der Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Bildverarbeitungssystemen ist eine ähnliche Vorgehens weise sinnvoll, wie sie bei der Prüfung von Software praktiziert wird. Der RWTÜV, Essen, befaßt sich gegenwärtig damit, basierend auf dem umfangreichen Know-how, das bei der Prüfung von Software gesammelt werden konnte, Hilfsmittel und Methoden zu entwickeln, die die systematische Auswahl von Testfällen und damit die Prüfung der Leistungsfähigkeit von Bildverarbeitungssystemen im Hinblick auf ihren speziellen industriellen Einsatz unterstützen.