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Alles wächst zusammen

| Autor/ Redakteur: Ulli Lansche* / Gerd Kucera

Traditionelle Bildverarbeitungssysteme, bestehend aus Analogkamera, Frame-Grabber im leistungsstarken Standard-PC, sind heute immer noch eine zuverlässige Lösung für viele Applikationen. Doch mit Aufkommen der intelligenten Kameras 1998 sind diese kontinuierlich in der Größe geschrumpft und in ihrer Leistung gewachsen. In vielen Fällen können sie heute analoge, PC-basierte Systeme ersetzen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Auf halbem Weg haben sich als Ersatz für analoge Kameras inzwischen viele digitale Kameras mit unterschiedlichen Schnittstellen-Standards positioniert, die zwar nicht den PC, aber den Frame-Grabber ersparen. Lediglich am oberen Ende des Leistungsspektrum wird noch ein spezieller Grabber benötigt, hier ist CameraLink unangefochten, auch wenn dieser Bereich bis zu mittleren Datenraten immer mehr durch GigE-Produkte abgedeckt wird. Im unteren Bereich breiten sich die kostengünstigen USB-2- und FireWire-Lösungen aus. Die einzige Nische für analoge Lösungen sind Systeme mit mehreren Kameras bei nicht zu hohen Anforderungen.

Die ersten intelligenten Kameras orientierten sich bei Soft- und Hardware-Komponenten noch an Standard-PCs, wobei die Größe und die Verlustleistung die Einsatzmöglichkeiten stark reduzierte. 1998 brachte MATRIX VISION ihre erste PC-kompatible All-in-One-Kamera namens mvCAM/PC auf den Markt. Kompakte DSP-Lösungen waren für typische industrielle Anwendungen mit mäßigen Stückzahlen wegen der beschränkten Resourcen und der aufwändigen Entwicklung keine Alternative. Erst der Einsatz von leistungsfähigen, hochintegrierten Prozessoren wie die PowerPC-CPUs in Verbindung mit fortschrittlichen, einfach zu handhabenden Software-Komponenten wie Linux auf der Systemseite und leistungsfähigen Bildverarbeitungsbibliotheken zur Unterstützung der Anwendungsentwicklung, brachte den Durchbruch für intelligente Kameras sowohl für Kleinstückzahlprojekte als auch im OEM-Bereich. Dieser Technologiesprung erlaubte beispielsweise den Ersatz von Harddisks durch Flash-Speicher, wodurch erst viele industrielle Anforderungen erfüllt werden konnten.

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Funktionelles Defizit bei Digitalkameras ausgleichen

Außer der reinen Bilderfassung war der Grabber für diverse andere Aufgaben zuständig, teilweise für die Bildvorverarbeitung, vor allem aber für die Echtzeitsteuerung von Kamera und verbundener Peripherie wie der Beleuchtung. Bei intelligenten Kameras ist das meist kein Thema, sie sind üppiger mit Schnittstellen ausgestattet, als die es die meisten Grabber waren. Wenn jedoch die Kamera mit dem Grabber zusammenwächst und eine digitale Kamera bildet, entsteht ein funktionales Defizit, das bei intelligenteren digitalen Kameras wie der mvBluFOX-Familie durch programmierbare Logikfunktionen gefüllt wird.

Das System mit Rechnerintelligenz in der Kamera gestattet einen neuen Ansatz der Bildverarbeitung. Übernimmt beim herkömmlichen System der Standard-PC den Hauptteil der Arbeit, kann die intelligente Kamera die Verarbeitung direkt am Sensor durchführen. Dieser Ansatz bietet einige Vorteile:

? Niedrige Bandbreitenanforderungen

Der rohe Videostrom wird direkt in der Kamera verarbeitet. Somit müssen nur die Ergebnisse der Verarbeitung, die sich damit auf einem höheren Abstraktionsniveau befinden, übertragen werden. Beispielsweise werden bei der Oberflächeninspektion nur Defektkandidaten zur zentralen Auswertung gesendet, was die notwendige Bandbreite um Größenordnungen verringert. Dies erlaubt die Verwendung von kostengünstigen Standard-Netzwerkverbindungen mit großer Reichweite. Begrenzte Kabellängen wie bei den anderen Schnittstellen-Standards, CameraLink, USB-2 oder FireWire, sind somit kein Problem.

? Keine zusätzliche Low-Level-Verarbeitung notwendig

Bei Systemen mit mehreren Kameras muss der zentrale Rechner zur Verarbeitung der Kameradaten nun keine Low-Level-Verarbeitung der Bilddaten einzelner Kameras mehr vornehmen. Stattdessen kann er sich mit der Integration und Verarbeitung der Ergebnisse auf höherer Abstraktionsebene (mit geringeren Datenmengen) beschäftigen. Bei Tracking-Anwendungen kann der zentrale Rechner beispielsweise das Handover von Objekten zwischen Kameras behandeln.

? Optimale Skalierung mit der Anzahl Kameras

Die Verwendung von intelligenten Kameras erlaubt es, immer weitere Kameras zu einem System hinzuzufügen und so mit den Anforderungen mitzuwachsen, da die Verarbeitung bereits in der Kamera vorgenommen wird. Sowohl die Netzwerk-Bandbreite als auch der zentrale Rechner erlauben eine große Anzahl verbundener Kameras, bevor diese zum begrenzenden Faktor werden.

? Höhere Auflösung und Frameraten möglich

Da der rohe Videostrom nicht mehr übertragen werden muss, können auch intelligente Kameras mit höheren Auflösungen und Frame-Raten verwendet werden, als es die rohe Bandbreite von anderen Low-Cost-Standard-Kameraverbindungen (Firewire, USB) zuließe. Üblich z. B. bei den intelligenten Kameras von MATRIX VISION sind Auflösungen bis 1600 x 1200 Pixel.

? Kostengünstige und Platz sparende Lösung

Intelligente Kameras sind mittlerweile sehr kostengünstig geworden und ersetzen analoge Kameras samt PCs durch eine integrierte Lösung mit sehr kleinem Formfaktor. Zudem ist eine Standard-Netzwerkinfrastruktur zur Steuerung und zum Austausch von Ergebnissen aus der Bildverarbeitung absolut ausreichend und somit sehr günstig.

? Zusatznutzen als programmierbare Steuerung

In bestimmten Anwendungen müssen keine Ergebnisse übertragen werden, sondern die Peripherie wird direkt von der intelligenten Kamera angesteuert. Da es sich hierbei um ein leistungsfähiges Rechnersystem handelt, kann in vielen Fällen bei dezentralisierter Steuerung eines Systems die Kamera Aufgaben übernehmen, die über die Bildverarbeitung hinausgehen und so weiter Kosten einsparen. Voraussetzung sind die passenden Schnittstellen sowie die freie Programmierbarkeit, was bei der mvBluLYNX-Familie gegeben ist.

Die USB-2-Modelle der mvBluFOX-Familie werden immer als Front-End an einem PC eingesetzt, besitzen aber wie angesprochen mit der programmierbaren Steuerung für die I/O-Signale eine eigene Intelligenz zur Belichtungssteuerung oder Synchronisation mehrerer Kameras. Während die mvBlueLYNX viele Schnittstellen besitzt und auch sonst üppig mit Speicher und Rechenleistung ausgestattet ist, haben die Modelle mvBlueCOUGAR als GigaBit-Ethernet-Variante eine Zwitterstellung: Sie basieren ebenfalls auf PowerPC-CPUs und Linux, aber ihre Resourcen betreffend freier Programmierbarkeit und Schnittstellen sind eingeschränkt. Trotzdem ist ein erheblicher flexiblerer Einsatz als bei prozessorlosen Kameras möglich, zum Beispiel durch Bildvorverarbeitung, inhaltsabhängigen Steuerung der Bildübertragung zur Reduktion der Transferrate oder auch über die freie Programmierung der I/O-Signale. Alle Kameras von MATRIX VISION sind mit unterschiedlichen Flächensensoren in CCD- und CMOS -Technik erhältlich, teilweise auch mit Zeilensensoren, wodurch viele Anwendungen realisierbar sind.

Software ist die dritte entscheidende Komponente

Eine effiziente Applikationsentwicklung im Bereich der Bildverarbeitung steht auf drei Beinen. Die Hardware mit passendem Sensor und leistungsgerechter verarbeitender Intelligenz muss durch gute Entwicklungswerkzeuge und durch optimierte Bildverarbeitungsbibliotheken optimal nutzbar gemacht werden. Wünschenswert für einen schnellen Einstieg ist, dass die gewohnten Werkzeuge und das Know-How auch in Verbindung mit einer neuen, ganz anderen Hardware genutzt werden können. Dies betrifft insbesondere die unterstützten Programmiersprachen. Neben den gewohnten C/C++-Entwicklungsmethoden bietet MATRIX VISION mit der Bildverarbeitungsbibliothek mvIMPACT und dem angekündigten Entwicklungstool mvRapidIMPACT die Möglichkeit, GUI-Applikationen per Drag-and-Drop passend für alle angesprochenen Kameras (und durch das offene Konzept auch für Grabber-basierte Systeme) sehr schnell zu entwickeln. Da mvRapidIMPACT neben selbständigen Applikationen auch C++-Code erzeugen kann, ist es einfach möglich, die erstellten Bildverarbeitungslösungen in vorhandene Applikationen zu integrieren.

MATRIX VISION, Tel. +49(0)7191 94320

*Ulli Lansche ist Technischer Redakteur bei MATRIX VISION, Oppenweiler.

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