Bildverarbeitung Smart-Kamera contra PC-Lösung

Redakteur: Gerd Kucera

Smart-Kameras mit integrierter Bildverarbeitungselektronik im kompakten Gehäuse boomen und sind mittlerweile eine ernst zu nehmende Konkurrenz für Systeme auf PC-Basis. Doch PC-Lösungen können mit neuen Multicore-Prozessoren kontern. Welche Stärken hat welches Konzept? Meinrad Simnacher, Geschäftsführer der Leutron Vision GmbH, zeigt Unterschiede auf und verdeutlicht Vor- und Nachteile.

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Auf Kameras und Smart-Kameras zusammengenommen entfielen im Jahr 2005 gemäß dem letzten Branchenportrait des VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.) 70% des Komponentenumsatzes. Dabei zeige sich, dass Smart-Kameras (bei denen die gesamte Systemfunktionalität in einem kompakten Gehäuse integriert ist) zunehmend an Bedeutung gewinnen: Von 2004 auf 2005 verzeichneten sie einen Zuwachs um 23% und nahmen einen Anteil von 15% am Komponentenumsatz ein. Der Anteil der Frame-Grabber sank im gleichen Zeitraum von 15 auf 13%. Den Grund führt der VDMA auf einen verstärkten Einsatz digitaler Kameras zurück, die sich ohne Frame-Grabber, etwa über USB- oder FireWire-Anschluss, direkt in das Rechnersystem integrieren lassen.

Die Smart-Kamera hat einen integrierten Embedded-Rechner und arbeitet autark

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Intelligente Kameras, auch Smart-Kameras genannt, gibt es seit gut zehn Jahren. Äußerlich erkennt man keinen Unterschied zu einer normalen digitalen Kamera, umso mehr aber im Innern. Denn neben dem Bildsensor und der üblichen Elektronik beherbergt eine Smart-Kamera einen kompletten Embedded-Rechner und kann autark ohne externen PC betrieben werden. Ein digitaler Signalprozessor (DSP) sorgt für hohe Verarbeitungsleistuing. Ferner sind Programm-, Bild- und Datenspeicher sowie Frame-Grabber-Funktionen und zahlreiche Schnittstellen sowie Anbindungsmöglichkeiten an Steuerungssystemen integriert.

„Mit dem Leistungsschub der Prozessoren und Speicherbausteinen von Smart-Kameras, lassen sich inzwischen immer anspruchsvollere Anwendungen realisieren, die vor einiger Zeit noch einem PC vorbehalten waren“, sagt Meinrad Simnacher, Geschäftsführer der Leutron Vision GmbH, „gleichzeitig ist der Leistungszuwachs auf PC-Basis etwas langsamer vorangeschritten. Das hat zum Boom bei Smartkameras geführt.“

PC-Lösungen kontern mit Multicore-Prozessoren

Inzwischen ist hinsichtlich des Preis-/Leistungsverhältnisses ein regelrechtes Wettrennen entfacht. „Doch der gegenwärtige Trend in der PC-Welt hin zu Multicore-Prozessoren, lässt erwarten“, meint Simnacher, „dass sich in Zukunft bei IBV-Lösungen mit PC ein besseres Preis-/Leistungsverhältnis einstellen wird als es bei Smart-Kamera-Lösungen der Fall ist. Das gilt vor allem dann, wenn mehrere Kameras in einer Applikation zum Einsatz kommen.“

Welche Lösungsvariante vorzuziehen ist, hängt letztlich von der jeweiligen Anwendung und ihren Anforderungen ab sowie von der bestehenden Infrastruktur, die man vor Ort vorfindet. „Wir bei Leutron Vision legen großen Wert auf eine hohe Vielfalt von Lösungswegen, weil wir damit flexibel genug sind, auf die doch sehr unterschiedlichen Bedürfnisse unserer OEM-Anwender eingehen zu können“, betont der CEO. So lässt das von Leutron Vision vor gut einem Jahr in den Markt eingeführte, komplett neu entwickelte Kamerakonzept PicSight durch seine modulare Struktur über 300 Kameravarianten zu. Unterschiedliche Sensor-, Interface- und Prozessor-Module kann der Projektingenieur frei kombinieren.

Smart-Kamera nach Maß: die technisch beste Kombination für die Anwendung

„Mit unserem PicSight-Konzept stehen dem Anwender alle 28 Sensortypen, die wir im Programm haben, auch für das Smart-Model zur Verfügung. Das hat den Vorteil, dass der OEM-Kunde sich seine Smart-Kamera genau mit dem optimalen Sensor, den er für seine Applikation benötigt, zusammenstellen kann und noch dazu sehr kostengünstig“, sagt Simnacher, „denn die Preise der Smart-Kameras unterscheiden sich unwestlich von denen unserer Gigabit-Ethernet-Kameras.“

Auch die Gehäuse der Smart-Kameras von Leutron Vision sind genauso kompakt wie die einer konventionellen Digitalkamera. Obwohl beispielsweise die Abmessungen der PicSight-Serie nur 86 mm x 44 mm x 31 mm sind, steckt zusätzlich für die Bildauswertung leistungsfähige Elektronik drin. Die Smart501-Modelle etwa verfügen über einen 300-MHz-/32-Bit-RISC-Prozessor mit DSP-Kern zur Bildvorverarbeitung und 64 MByte DDR-SDRAM sowie 32 MByte Flash für Programme, Daten und Bilder. Die Top-Modelle der Smart702-Serie sind mit 500 MHz getaktet, besitzen eine eingebaute Hardware-Floatingpoint-Unit sowie 128 MByte SDRAM und 64 MByte Flash-EPROM.

„Weil die mechanischen Abmessungen, Stecker und Funktionen zur Bildübertragung bei uns identisch sind mit denen der Gigabit-Ethernet-Kamera“, erklärt Simnacher, „kann der Anwender sehr spät entscheiden, ob er seine Applikation mit einer PC-Lösung oder Smart-Kamera-Variante ausstatten möchte. Und das kann sehr vorteilhaft sein.“

Die Smart-Kamera schickt nur relevante Daten direkt an die Steuerung

Der wesentliche Teil einer Bildverarbeitungsaufgabe besteht darin, die Bildrohdaten aufzubereiten, etwa zu filtern, zu entzerren und/oder zu reduzieren, damit nur noch die relevanten Informationen übrig bleiben. Dazu gehört zum Beispiel das Segmentieren, wobei der Vordergrund vom Hintergrund getrennt wird. Häufig wird dann eine Zusammenhangsanalyse durchgeführt, sodass man auf unterschiedliche Objekte zugreifen kann (Labeling). Weiterhin werden bei einer Merkmalsextraktion charakteristische Messgrößen ermittelt, die wiederum für eine Klassifizierung „okay“ oder „nicht okay“ herangezogen werden können.

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Solche und weitere vielfältige Aufgaben bewältigt eine Smart-Kamera, die sonst ein externer PC erledigt hat. Wartungs- und fehleranfällige Teile wie PC-Lüfter, Laufwerke entfallen dabei. Frame-Grabber-Karten sowie ein Schaltschrank vor Ort erübrigen sich. „Das macht sich vor allem dort bezahlt, wo nur eine einzige Kamera benötigt wird und explizit für die IBV-Aufgabe ein PC installiert werden müsste – oder dort, wo der PC nicht an der Maschine angebracht werden kann und mit einem größeren Verkabelungsaufwand zu rechnen wäre“, begründet Simnacher.

Welche Technik zum Einsatz kommt entscheidet die zu lösende Aufgabe

Eine TTL-Signalschnittstelle, zwei optoentkoppelte Ein- und vier Ausgänge sowie eine RS232-Schnittstelle ermöglichen den externen Trigger- und Blitzbetrieb und stehen für Steuerungsaufgaben zur Verfügung. Über eine Anbindung an eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) lassen sich zum Beispiel Befehle erteilen, sodass fehlerbehaftete Objekte sofort aus dem Produktionsprozess aussortiert werden können.

Die freiprogrammierbaren PicSight-Smartkameras von Leutron Vision erledigen die Bildauswertung völlig autonom und machen PC-Stationen überflüssig. Zudem haben sie eine Gigabit-Ethernet-Vision-Schnittstelle, um vorverarbeitete Bilddaten an einen PC oder Server zu senden - und zwar mit bis zu 80 MByte/s. Hier lassen sich dann auf einem Monitor in Echtzeit Protokollbilder visualisieren oder es können auch noch weitere Aufgaben für die Bildauswertung erledigt werden.

Jede installierte Smart-Kamera erfordert eine eigene Software-Lizenz

„Obwohl Smart-Kameras viele Vorzüge besitzen, darf man den Boom nicht überbewerten“, meint Simnacher, „denn mit dem neuen Gigabit-Ethernet-Standard ist es zum Beispiel einfacher geworden, digitale Kameras über große Strecken vom PC entfernt zu montieren. Ein anderer Aspekt im Vergleich der beiden IBV-Varianten ist die Software. Für die PC-Lösung spricht hier, dass beim Einsatz von mehreren Kameras nur eine Softwarelizenz benötigt wird, während bei Smart-Kameras pro Kamera eine Lizenz fällig ist. Dies addiert sich, zumindest bei Highend-Paketen, schnell zu Beträgen, die über dem Vielfachen der PC-Hardware liegen. Und weil die Software ständig komplexer wird und mehr Rechenpower benötigt, kann es dazu führen, dass die Smart-Kameras in manchen Bereichen an ihre Leistungsgrenzen stoßen werden.“

Derzeit setzt man intelligente Kameras dort bevorzugt ein, wo es um fest definierte Aufgaben geht, bei denen sich die Rahmenbedingungen nicht ständig ändern, etwa in der Qualitäts- und Vollständigkeitskontrolle, bei Vermessungen, bei der Code- und Texterkennung oder in der Farbkontrolle.

Die PC-Lösung punktet mit hoher Flexibilität und braucht nur eine Lizenz

„Vorteilhaft bei einer IBV-Lösung mit PC ist die hohe Flexibilität“, argumentiert Simnacher, „denn es lassen sich sehr komplexe Systeme aufbauen. Außerdem sind Entwicklungs- und Zielsystem identisch. Weiterhin gibt es eine hohe Vielfalt an Entwicklungstools und Bildverarbeitungsbibliotheken, was vor allem für Systemintegratoren vorteilhaft ist, die immer wieder unterschiedliche Applikationen meistern müssen.“

Der PC kann außerdem zusätzliche Aufgaben wie Steuerung, Datenspeicherung und Datenaustausch erledigen. Und wie erwähnt, können an einen PC viele Kameras angeschlossen werden. Simnacher: „Natürlich werden auch die Smart-Kameras weiterentwickelt. Deshalb wird es im Wettrennen zwei Sieger geben.“ Denn beide Systeme lassen sich nutzenbringend einsetzen, wobei die Smart-Kameras auf Dauer die hohen Zuwachsraten wohl kaum beibehalten werden können.“

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