Eine Machine-Vision-Kamera muss nicht nur ein scharfes Bild aufnehmen, sondern vor allem ein Bild zum richtigen Zeitpunkt. Bei einem stillstehenden Produkt ist das meist unkompliziert. Sobald sich Produkte bewegen, die Bandgeschwindigkeit variiert oder die Beleuchtung kurz blitzen muss, wird das Timing zu einem wichtigen Bestandteil der Systemauslegung.
Eine falsch gewählte Triggerstrategie führt dann in der Regel nicht zu einem klassischen Softwareproblem, sondern zu einem Aufnahmeproblem: Das Produkt befindet sich nicht reproduzierbar an derselben Position im Bild. Deshalb sollte das Triggern bereits früh in der Systemkonzeption berücksichtigt werden.
Warum Triggern in der Machine Vision wichtig ist
Die Wahl des richtigen Triggers hängt eng mit Kamera, Beleuchtung, Belichtungszeit, Schnittstelle, Software und der Mechanik rund um das Produkt zusammen. Wer ein Vision-System selbst aufbaut, muss daher nicht nur festlegen, welche Kamera eine ausreichende Bildqualität liefert, sondern auch, wann diese Kamera ihr Bild aufnehmen soll und wie dieser Zeitpunkt reproduzierbar gehalten wird.
Freilaufende Bildaufnahme
Bei der freilaufenden Bildaufnahme nimmt die Kamera kontinuierlich Bilder auf, sobald die Akquisition gestartet wurde. Nach der Aufnahme und dem Auslesen eines Bildes folgt automatisch die nächste Aufnahme. Es ist also kein externer Sensor oder Triggerimpuls erforderlich, um jedes einzelne Bild zu starten.
Dieser Modus eignet sich besonders, wenn das Produkt stillsteht oder wenn der genaue Aufnahmezeitpunkt nicht kritisch ist. Beispiele sind ein Testaufbau, eine manuelle Prüfposition oder ein Bauteil, das mechanisch positioniert wird, bevor die Inspektion startet. Die Vision-Software arbeitet dann mit den Bildern, die von der Kamera bereitgestellt werden.
Die maximale Bildrate im Datenblatt gilt für eine bestimmte Kameraeinstellung und einen bestimmten Auslesemodus. In der Praxis muss dieser Wert immer zusammen mit Sensorauslesung, Schnittstellenbandbreite und Belichtungszeit betrachtet werden. Wenn die Belichtungszeit oder Übertragungszeit länger wird als die verfügbare Zeit pro Bild, sinkt die effektive Bildrate.
Der Vorteil der freilaufenden Aufnahme liegt in ihrer Einfachheit. Bei einer GigE-Kamera mit PoE kann ein einziges Netzwerkkabel für Stromversorgung und Daten ausreichen, sofern Kamera, Kabel und Netzwerkanschluss PoE unterstützen. Bei einer USB3-Kamera kann ein einziges USB-Kabel genügen. Diese Einfachheit ist attraktiv, allerdings nur solange der Inspektionszeitpunkt nicht präzise mit der Produktbewegung verknüpft werden muss.
Getriggerte Bildaufnahme
Bei der getriggerten Bildaufnahme startet die Kamera erst, nachdem ein Triggerereignis empfangen wurde. Dieses Ereignis kann aus der Software kommen oder über einen physischen Eingang an der Kamera bereitgestellt werden. Danach beginnt die Kamera mit der Aufnahme, optional mit einer eingestellten Triggerverzögerung.
Der Vorteil besteht darin, dass die Bildaufnahme mit einem Ereignis in der Maschine verknüpft wird. Ein Produkt passiert eine Lichtschranke, erreicht eine feste Position oder wird von der Steuerung für die Inspektion freigegeben. Die Kamera nimmt dann nicht einfach kontinuierlich Bilder auf, sondern erfasst das Produkt, wenn es sich an der gewünschten Position befindet.
Das ist besonders bei bewegten Produkten wichtig. Wenn ein Produkt mit Geschwindigkeit durch das Bild läuft, entscheidet bereits eine kleine Timingabweichung darüber, ob das relevante Merkmal an derselben Stelle erscheint. Die Software kann Positionsunterschiede teilweise korrigieren, doch ein zu früh, zu spät oder mit Bewegungsunschärfe aufgenommenes Bild bleibt eine schwache Grundlage für die Inspektion.
Softwaretrigger oder Hardwaretrigger
Bei einem Softwaretrigger sendet die Vision-Software einen Befehl an die Kamera, um eine Aufnahme zu starten. Das ist praktisch bei Testaufbauten, Laborsystemen oder langsam bewegten Prozessen. Der Aufbau bleibt einfacher, weil keine zusätzliche Triggerverkabelung erforderlich ist.
Beim Hardwaretriggern erkennt ein Sensor, häufig eine Lichtschranke, dass ein Produkt vorhanden ist. Das Signal wird an einen digitalen Eingang der Kamera geleitet. Anschließend startet die Kamera die Aufnahme. In Produktionsumgebungen wird diese Methode häufig eingesetzt, weil der Aufnahmezeitpunkt direkter mit der Maschine verknüpft ist.
Dabei ist die Position der Lichtschranke wichtig. Befindet sich die Lichtschranke zu nah an der Kamera, bleibt nur wenig Zeit zwischen Erkennung und Aufnahme. Ist sie zu weit entfernt, wird die Genauigkeit empfindlicher gegenüber Geschwindigkeitsabweichungen oder Schlupf auf dem Förderband. Bei konstanter Geschwindigkeit kann eine feste Triggerverzögerung ausreichend sein. Bei variabler Geschwindigkeit ist eine feste Verzögerung allein oft weniger zuverlässig.
Bei der Oberflächeninspektion muss außerdem verhindert werden, dass die Lichtschranke selbst eine Störung im Bild verursacht. Der Lichtpunkt oder die Reflexion des Sensors kann auf glänzenden Produkten, Folien oder Verpackungen sichtbar werden. In der Praxis lässt sich dies lösen, indem der Sensor anders positioniert, auf eine andere Signalflanke getriggert oder die Lichtschranke so platziert wird, dass ihr Licht nicht in das Kamerabild gelangt.
Encodertrigger bei Zeilenkameras und Endlosmaterial
Bei Zeilenkameras wird häufig ein Encoder als Zeilentrigger verwendet. Die Kamera nimmt dann eine neue Zeile nicht zeitbasiert auf, sondern auf Grundlage der tatsächlichen Bewegung von Förderband, Rolle oder Materialbahn. Jeder Encoderimpuls, oder eine eingestellte Teilung dieser Impulse, bestimmt, wann die nächste Zeile aufgenommen wird.
Das ist besonders wichtig bei der Inspektion von Endlosmaterial wie Folie, Papier, Textil, Metallband oder anderen durchlaufenden Oberflächen. Wenn der Zeilentrigger zeitbasiert ist und die Geschwindigkeit variiert, verändert sich der Abstand zwischen den aufgenommenen Zeilen. Das Bild wird dann in Bewegungsrichtung gedehnt oder gestaucht. Mit einem Encoder bleibt die Zeilenaufnahme an die tatsächliche Materialbewegung gekoppelt.
Bei Endlosmaterial wird der Frame Start häufig softwareseitig gestartet, wenn die Inspektion aktiv werden soll. Der Zeilentrigger kommt dann vom Encoder. Die Kamera nimmt weiter Zeilen auf, solange die Akquisition läuft und Encoderimpulse geliefert werden.
Bei einzelnen Produkten, die mit einer Zeilenkamera gescannt werden, kann der Frame Start dagegen über einen Hardwaretrigger erfolgen, zum Beispiel über eine Lichtschranke, die erkennt, dass sich das Produkt der Scanposition nähert. Der Encoder liefert während der Produktbewegung weiterhin den Zeilentrigger.
Eine Zeilenkamera hat damit häufig zwei Timingebenen. Der Frame Start bestimmt, wann der Scan beginnt. Der Zeilentrigger bestimmt, mit welchem räumlichen Schritt die Zeilen aufgenommen werden. Wenn diese beiden Signale nicht richtig gewählt sind, kann das Produkt zwar im Bild erscheinen, geometrisch aber nicht korrekt aufgebaut werden.
Mehrere Bilder nach einem Trigger
Manche Anwendungen benötigen nicht ein Bild, sondern mehrere Bilder nach einem einzigen Trigger. Die Kamera erhält dann ein Startsignal und nimmt anschließend eine Bildsequenz auf. Das kann sinnvoll sein, wenn ein Produkt mehrere Positionen passiert, wenn sich ein Objekt bewegt oder dreht oder wenn mehrere Bilder für eine einzige Bewertung benötigt werden.
Dieser Modus erfordert besondere Aufmerksamkeit für Timing, Datentransport und Softwarelogik. Die Software muss wissen, welches Bild zu welcher Position gehört. Wenn unterschiedliche Beleuchtungen verwendet werden, muss auch die Beleuchtungssteuerung mit der Bildsequenz synchronisiert sein. Andernfalls kann das richtige Produkt mit der falschen Beleuchtung bewertet werden.
Triggern als Teil der Systemauslegung
Triggern kann nicht getrennt vom übrigen Vision-System ausgewählt werden. Eine kürzere Belichtungszeit reduziert Bewegungsunschärfe, erfordert aber meist mehr Licht. Mehr Licht kann bedeuten, dass eine gesteuerte oder geblitzte Beleuchtung erforderlich ist. Eine höhere Bildrate verlangt mehr Schnittstellenbandbreite und Rechenleistung. Eine höhere Auflösung liefert mehr Details, erzeugt aber auch mehr Daten pro Bild.
Bei GigE- und USB3-Kameras wird der Trigger häufig direkt an die Kamera angeschlossen. Die Kamera nimmt das Bild auf und sendet es anschließend an den PC oder Vision-Prozessor. Bei Camera-Link- oder CoaXPress-Systemen kann der Trigger auch Teil der Framegrabber- oder Akquisitionskonfiguration sein. Welche Lösung am sinnvollsten ist, hängt von Kameraschnittstelle, Geschwindigkeit, Synchronisationsanforderungen und Softwareumgebung ab.
Wer ein Vision-System selbst aufbaut, muss diese Entscheidungen gemeinsam bewerten. Kamera, Beleuchtung, Software, Mechanik und Timing bestimmen zusammen, ob das Bild reproduzierbar genug für die Inspektion ist. Mehr über diese Art des Systemaufbaus finden Sie auf der Seite über die eigene Integration eines Machine-Vision-Systems.
Fazit
Die freilaufende Bildaufnahme ist einfach und eignet sich für stillstehende Produkte oder Situationen, in denen das Timing wenig kritisch ist. Sobald sich Produkte bewegen oder der Aufnahmezeitpunkt präzise mit der Produktposition verknüpft werden muss, wird Triggern zu einem wesentlichen Bestandteil des Systems.
Softwaretriggering ist nützlich für Tests und weniger kritische Anwendungen. Hardwaretriggering wird in Produktionsumgebungen häufig eingesetzt, weil der Aufnahmezeitpunkt direkter mit der Maschine verbunden ist. Bei Zeilenkameras und Endlosmaterial wird der Encoder als Zeilentrigger wichtig, weil die Aufnahme dann nicht zeitbasiert, sondern auf Grundlage der tatsächlichen Bewegung erfolgt.
Ein Trigger ist daher keine Einstellung, die erst am Ende des Projekts gewählt wird. Er bestimmt, ob das Bild zum richtigen Zeitpunkt, mit der richtigen Beleuchtung und an der richtigen Produktposition aufgenommen wird. Eine zuverlässige Inspektion beginnt nicht nur mit einer guten Kamera, sondern mit einer Aufnahmetechnik, die technisch zur Bewegung des Produkts und zum Timing der Maschine passt.
