Geschichte der Bildverarbeitungssysteme: Automatisierung

Im Bereich der Kostensenkung und Sicherung hoher Qualitätstandards in einer Produktionsumgebung ist Automatisierung zu einem unvermeidlichen Trend geworden. Alle anfallenden Arbeiten, von einfachen Aufgaben bis hin zu Montage- und Prüfvorgängen, die hochentwickelte Techniken erfordern, werden mit enormer Geschwindigkeit automatisiert. Der Produktivitätsanstieg bewegt sich in zuvor nie erlebten Dimensionen. In diesem Band stellen wir Ihnen die Anfänge der Automatisierung und die Rolle der Bildverarbeitung vor.

Die Anfänge und Wendepunkte der Automatisierung

Güter ohne den Einsatz von Humanressourcen bereitstellen... Die Geschichte dieser Herausforderung reicht bis zur Antike zurück. Es soll bereits im alten Ägypten Verkaufsautomaten für heiliges Wasser gegeben haben. Jedoch galt dies eher dem Zweck der Aufmerksamkeit, anstelle des praktische Nutzen. Mit der industriellen Revolution war der Wendepunkt für die Automatisierung erreicht. Die Menschheit bewegte sich mit großen Schritten in Richtung der Massenproduktion und des Massenkonsums zu. Riesige Mengen an Arbeitskräften wurden durch Maschinen ersetzt. Sie boten größere Effizienz bei geringerer Fehlerquote. Insbesondere die damit verbundenen Einsparungen führten dazu, dass Maschinen mehr und mehr in die Produktionskreisläufe integriert wurden. Menschen mussten nun nicht mehr in kritischen Umgebungsbedingungen arbeiten oder niedere Tätigkeiten verrichten. Es dauert von da an nicht mehr lange, bis Maschinen in Bereichen der Sicherheit und des Komfort eingesetzt wurden.

Fortschritte in der Automatisierung

Das repräsentative Beispiel für Automatisierung in einer Produktionsumgebung sind Automatisierungssysteme. Systeme, die Produktionsabläufe automatisieren können, übernehmen nicht einfach die Arbeit der Menschen und geben sie dann an Maschinen weiter. Sie spielen als Verwaltungssysteme eine große Rolle bei der Produktivitätssteigerung, der Kostensenkung und Qualitätssteigerung. Aus diesem Grund sind sie unersetzlich geworden.

Der Nutzen der Betriebsmittel der Automatisierung, einschließlich der Sensoren in Werkzeugmaschinen und Industrierobotern, ist nun bis in komplizierte Bereiche vorgedrungen, die “menschliche Möglichkeiten übersteigen”. Einer dieser Bereiche ist die Bildverarbeitungstechnik. Bildverarbeitung ist die auf bestimmte Zwecke ausgerichtete Manipulation und Analyse der in Bildern enthaltenen Informationen. Menschen nehmen diese Informationsflut zwar optisch und akustisch auf, es gibt jedoch ein besonderes Merkmal der visuellen Aufnahme der Bildinformation: Das Informationsvolumen zur Übermittlung eines leicht verständlichen Inhalts ist überwältigend groß.

Die verschiedenen Methoden der Informationsübermittlung für Menschen haben jedoch eine lange Geschichte. Für Bildinformationen, die nicht über das gesprochene Wort vermittelt werden, hat sich das analoge Zeitalter fortgesetzt - einschließlich der zugehörigen Bilder (Standbilder) und Text. Die Entwicklung des 20. Jahrhunderts beginnt mit dem Zeitalter der analogen Bilder, wie zum Beispiel Wandgemälde und Bilder. Später wird es mit Hilfe technischer Errungenschaften elektronischer Geräte zum Digitalbildzeitalter.

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Praktische Anwendung der digitalen Bildverarbeitung

Bilder, die viel mehr und viel genauere Informationen als das gesprochene Wort vermitteln... Seit den 60er Jahren ist die Bilderfassung in Automatisierungssystemen im praktischen Einsatz, dabei werden digitale Bilder mittels Computertechnik effizient verarbeitet und genutzt. Die ersten Einsätze fanden im Bereich der wissenschaftlichen Forschung statt, bei der auch Bilder von künstlichen Satelliten verwendet wurden. Röntgen- und Ultraschallbilder wurden in den 1970er Jahren sowohl in der Medizin als auch in industriellen Bereichen angewendet, einschließlich industrielle Fertigung und Verteilung. Die Bilderfassung wurde im Bereich der Automatisierung aktiv zur Effizienzsteigerung und Einsparung von Arbeitskräften eingesetzt, was das Qualitätsmanagement enorm verbessert hat.

Ab den 1980er Jahren verbesserten sich die Bilderfassungs- und Verarbeitungstechniken für Zeichnungen und Bilder dramatisch. Bis zu diesem Zeitpunkt waren dafür große Computer notwendig gewesen - nun gehörten günstige Universal-Bilderverarbeitungsprogramme und die entsprechende technische Ausstattung zur Standardausführung der Computer. Die praktische Anwendung der nun bereits vertrauten Bildverarbeitungstechniken setzten ihren Erfolgskurs fort. Mittlerweile sind die Schwarzweiß-Bilder von früher standardmäßig hochauflösend und in Farbe. Stetiger Fortschritt in den Bereichen Miniaturisierung, Geschwindigkeit und Kostenreduzierung wird die Benutzerfreundlichkeit dieser Systeme immer weiter verbessern.

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Fortschritte beider Verarbeitungsgeschwindigkeit großer Datenmegen

Im Allgemeinen enthält 1 Sekunde Video 30 einzelne Standbilder. Anders ausgedrückt: Eine einfache Berechnung steigert das Informationsvolumen um das 30-fache und ein Farbvideo verdreifacht diese Zahl noch, so dass wir schließlich das 90-fache Informationsvolumen eines Schwarzweißbildes erreicht haben. Ein Bild setzt sich aus einer Gruppe kleiner Pixel zusammen, die horizontal und vertikal unterteilt sind. Wird die Anzahl der Pixel durch weitere Teilung noch feiner unterteilt, erhöht sich die Bildauflösung und die Bildgenauigkeit; das Informationsvolumen steigt jedoch gleichzeitig um die gleiche Anzahl.

Eine Zeitlang sah man sich dann mit dem Dilemma konfrontiert, dass gesteigerte Bildqualität und größeres Informationsvolumen zu niedrigeren Verarbeitungsgeschwindigkeiten führten. In den letzten Jahren hat die Bildverarbeitung in punkto Geschwindigkeit jedoch kontinuierlich aufgeholt. Was genau war jetzt aber der Grund für die schnellere Verarbeitung großer Datenmengen? Die Antwort ist, dass hochauflösende, superschnelle Bilderfassungselemente (Geräte, die Bilder in elektronische Daten umwandeln) auf den Markt kamen und integrierte Schaltkreise entwickelt wurden, die ebenfalls mit Hochgeschwindigkeit arbeiteten. Diese Entwicklung ermöglichte die Verarbeitung riesiger Informationsmengen mit unglaublich hoher Geschwindigkeit. Weitere Vorteile ergaben sich aus der praktischen Anwendung hochauflösender Bildschirme, die von CRT-Monitoren bis hin zu dünnen LCD-Panels und OLEDs reichten. Die Leistung von Computern verbesserte sich enorm.

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Das optimale Automatisierungssystem für das “Zeitalter der Bilderfassung”

Ein System, das bislang nicht verfügbare, leistungsstarke Datenverarbeitung und Bilderfassungsfunktionen bietet...

Heutzutage sind wir im Bereich der Bildverarbeitung mit Techniken und Ausrüstung ausgestattet, die vor einem halben Jahrhundert sogar für Supercomputer schwierig gewesen wären. Wir können mit Bestimmtheit sagen, dass dieses Zeitalter das “Zeitalter der Bildverarbeitung” ist, in dem Informationsvermittlung und - austausch über Bilder “mit jedem, jederzeit und überall” möglich ist. Das automatische Lesen von Verfalldaten, Produktform (äußeres Erscheinungsbild, Beschädigung, Oberflächenform), Sortierung und Montage in Verbindung mit greifenden Robotern, Untersuchung aus der Ferne einschließlich landwirtschaftlicher Verarbeitung und Verarbeitung von Fischereiprodukten, Klassifizierung uva. Die Bildverarbeitung in Automatisierungssystemen, die weiterhin innerhalb der großen Bandbreite industrieller Bereiche angewendet und praktisch umgesetzt wird, entwickelt sich beständig weiter. Parallel dazu wird sie für verschiedene Anwendungen und Bedürfnisse optimiert.

Bildverarbeitung, die zur Optimierung der Automatisierung führt

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Weltweit verbreitende Automatisierung

Die Anziehungskraft der Bildverarbeitungstechniken in Automatisierungssystemen verbreitet sich weltweit. Zusätzlich zu Firmen aus führenden Industrienationen, die ihre Produktionsfunktionen nach Übersee auslagern, wird die Automatisierung in Staaten, die sich erst kürzlich als Wirtschaftsmacht etabliert haben (wie zum Beispiel die BRIC-Staaten), nicht nur zur Produktion, sondern auch für Optimierungszwecke verwendet. Hierbei geht es um die Optimierung lokaler Ressourcen einschließlich Dienstleistungen, Wartung und Lagerung. Dabei entwickelt sich Letzteres zur treibenden Kraft bei der Nachfrageausweitung. Die Hersteller sind nun mit einem bewegten Zeitalter voller Wettbewerb auf weltweiter Ebene konfrontiert. Die Automatisierung unterstützt die Produktion auf viele Arten und in vielen Bereichen (bspw.: Automobile, Industrieanlagen, Elektronik und Lebens- und Arzneimittel). Sie hat zur Größen- und Gewichtsverringerung beigetragen sowie zur Leistungs- und Qualitätssteigerung in Produktionsbetrieben auf der ganzen Welt. Die Spezifikationen für Automatisierungsanlagen und Steuerungssoftware werden zusammengeführt. Es werden effiziente Verbindungen zu ERP*1 und MES*2 erstellt und “SmartFactory Automation”-Systeme, die zur effizienten Energienutzung unter Firmen und Regionen mit “Smart Communities” sowie “Smart Grids” zusammenarbeiten, werden eingeführt. Somit erwarten wir mit der nächsten Generation der Automatisierungssysteme neue Nutzungsbereiche und eine Steigerung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit.

*1.Enterprise Resource Planning. Ein Paket aus Informationssystemen zur Unterstützung des Kerngeschäftes von Unternehmen, einschließlich Bestand und Produktionsstatus.
*2. Manufacturing Execution System. Dieses System erfüllt folgende Funktionen: Anlagenverständnis, Mengenüberblick sowie Status der Rohstoffe und im Produktionskreislauf befindlichen Posten, Erstellung von Arbeitsplänen auf Basis von Produktionsfahrplänen, Herausgabe von Anweisungen an das Personal und Bereitstellung von Informationen im Zusammenhang mit Arbeitsabläufen.