Checkliste für die Kameraauswahl So finden Sie die am besten geeignete Kamera

Autor / Redakteur: Ulli Lansche* / Gerd Kucera

Am Anfang der Konzeption einer Anwendung steht die Auswahl der Kamera. Einen wirklichen Überblick zu bekommen ist sehr schwer, denn bei den Komponenten zur Bildaufnahme hat sich in den vergangenen Jahren technisch viel verändert. Zudem ist das Angebot immens gewachsen. Doch mit der richtigen Strategie lässt sich die Kameraauswahl erheblich vereinfachen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Weil die Eigenschaften der Kamera wesentlich durch den eingesetzten Bildsensor bestimmt sind, wählt man eher den Bildaufnehmer (das Sensorelement) aus als eine Kamera. Die genaue Spezifikation der Anforderungen hilft bei der Wahl des passenden Sensors und danach der passenden Kamera.

Zunächst ist es wichtig, dass die Auflösung in Verbindung mit der Größe des Bildfeldes geklärt wird. Beim Lesen von Codes ergeben sich die Anforderungen aus der Größe der Strukturen. Minimale Anforderung ist offensichtlich, dass im Bild die zu lesenden Strukturen (beispielsweise Schriftzeichen, Strich- oder Data-Matrix-Codes) erkennbar sein müssen. Zusätzlich bestimmt die Qualität der eingesetzten Software, wie viel Reserve das Bild liefern muss, um auch aus weniger guten Bildern eine sichere Erkennung zu gewährleisten. Des Weiteren stellt sich die Frage, ob nur der im Beispiel genannte Code oder das ganze Objekt, auf welches sich der Code befindet, erfasst werden muss.

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Ausreichendes Licht und passende Objektivbrennweite

Damit die Lichtmenge auch ungeschwächt durch Verzeichnungen und Verzerrungen auf den Sensor einfallen kann, ist die Optik und somit die Auswahl eines geeigneten Objektivs ein anderes wichtiges Kriterium. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Brennweite. Zur vereinfachten Berechnung der notwendigen Brennweite verwendet man als Grundlage das Verhältnis der Sensorgröße zur Größe und Entfernung des zu erfassenden Objekts. Zur Bestimmung der Brennweite stellt MATRIX VISION auf der Website einen Objektiv-Brennweitenrechner zur Verfügung.

CCD versus CMOS – hier entscheidet auch die Anwendung

Die Wahl des Sensortyps ist auch applikationsabhängig. Es gibt zwei Sensortechnologien auf dem Markt: CCD und CMOS. CCD-Sensoren haben in der Regel die bessere Bildqualität, ein geringeres Rauschen und keine Fehlpixel (fixed pattern noise). CMOS-Sensoren sind dagegen günstiger und haben oft zusätzliche Eigenschaften, die in CCD-Technologie nicht integrierbar sind. Häufig zeichnen sich CMOS-Sensoren durch eine höhere Dynamik aus; ein enormer Vorteil vor allem bei Applikationen mit großen Helligkeitsunterschieden.

Der Einsatz von Filtern macht Dinge sichtbar oder auch nicht

Ob ein Farb- oder ein Grau-Sensor zum Einsatz kommt, hängt meist von der zu erfüllenden Aufgabe ab. Manche Sensoren sind allerdings nur in der einen oder anderen Ausführung erhältlich. Farbsensoren haben vor der lichtempfindlichen Sensormatrix Farbfilterstrukturen, d.h. dass bestimmte Pixel nur Licht einer bestimmten Farbe aufnehmen. Diese Filterstrukturen sind durchlässig für IR-Licht. Um Farbverfälschungen bei Farbaufnahmen zu vermeiden, wird ein zusätzlicher IR-Sperrfilter gebraucht. Bei farbigen Objekten führt dessen Einsatz jedoch aufgrund des pixelweisen Farbwechsels zu einer geringeren Ortsauflösung.

Ist eine hohe Farbgenauigkeit wie bei der Farbprüfung von Ausdrucken gefragt oder ist eine hohe farbliche Ortsauflösung nötig, so ist die Verwendung einer 3-Chip-Kamera sinnvoll, bei der für die Farben Rot, Grün, und Blau ein eigener Chip verwendet wird.

Der falsche Kameraverschluss bringt Geometriefehler ins Bild

Ein weiterer Gesichtspunkt ist der Verschluß (Shutter). CCD- und CMOS-Sensoren gibt es mit Global-Shutter (Fullframe), einfache CMOS-Sensoren haben meist einen Rolling-Shutter. Letzteres führt bei Aufnahmen von schnell bewegten Objekten zu geometrischen Verzerrungen durch die Bewegung während der Belichtungszeit.

Kamerafunktionen zur Interaktion mit Maschinen und Anlagenteilen

Nach den Fragen über den Sensor sind einige Bedingungen der Kamera im Umfeld der Anwendung zu beachten. Bezüglich der Bildaufnahme und -verarbeitung ist klarzustellen, ob eine getriggerte Aufnahme nötig ist, ob die Kamera eine Restart/Reset-Funktion zur Steuerung besitzen muss, ob die Kamera über digitale Ein-/Ausgänge zum Steuern externer Geräte wie Aussortierer haben muss, welche maximale Bildrate gefordert ist, ob das Umgebungslicht ausreicht oder ob eine zusätzliche Beleuchtung (Blitzlicht, LED-Licht) gefragt ist.

Letzteres verbessert den Kontrast eines aufgenommen Bildes, was eine bessere Grundlage für eine spätere Bildverarbeitung darstellt, benötigt aber einen separaten Beleuchtungsanschluss an der Kamera.

Daneben gilt es auch mechanische und umgebungsbedingte Gegebenheiten zu beachten, ob die Anwendung z.B. eine maximale Baugröße vorgibt oder gewisse Bedingungen bezüglich Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Staub/Schmutz herrschen und ob damit bestimmte Schutzklassen von der Kamera eingehalten werden müssen.

Kameraschnittstelle und Datenrate müssen zusammenpassen

Sind die Auflösung des Sensors und die maximale Bildrate bekannt, lässt sich mit einer einfachen Multiplikation die Datenrate bestimmten: Bildhöhe x Bildbreite x Bilder pro Sekunde x Bytes pro Pixel. Analog- und CameraLink-Kameras benötigen im Host-PC einen Framegrabber, der die Datenerfassung übernimmt. Werden 100 MByte/s als Datenrate überschritten (etwa durch mehrere Frame-Grabber oder mehrere Kameras an einem Frame-Grabber), wird ein Host-PC mit PCI-Express-Bussystem und passendem PCI-Express-Frame-Grabber erforderlich (250 MByte/s pro Bus-Datenleitung und Frame-Grabber). Bei USB, Firewire und Gigabit-Ethernet dagegen sind die Kameras direkt an die entsprechenden Standardschnittstellen des Host-PCs angeschlossen, sodass dieser die Erfassung und Verarbeitung übernehmen muss.

Kameras mit Intelligenz entlasten den Prozessor

Bonus Intelligenz: Kameras mit Intelligenz verarbeiten die erfassten Bilder direkt am Sensor und übermitteln nur die relevanten Daten oder steuern direkt Maschinen ohne zusätzlichen PC. Dadurch lässt sich die Datenrate und die Prozessorauslastung eines weiterverarbeitenden Rechners reduzieren. Im allgemeinen kann beim Einsatz Intelligenter Kameras komplett auf einen zentralen Rechner verzichtet werden.

Tabelle: Selektion der Kameraschnittstelle auf Basis der Datenrate, Prozessorauslastung und Kabellänge (Archiv: Vogel Business Media)

Bei der Wahl der Kameraschnittstelle muss auch die Kabellänge der Applikation bedacht werden. Standard-Schnittstellen aus dem Konsumumfeld ( USB, FireWire ) können ohne zusätzliche Komponenten nur einige Meter überbrücken, zusätzliche Signalverstärker führen zu erheblichen Mehrkosten, welchen den finanziellen Vorteil des Standards zunichte machen.

Mit den Daten über Datenrate, Prozessorauslastung und Kabellänge wird aus der Tabelle „Kameraschnittstelle“ die passende Schnittstelle ausgewählt.

Die letzten offenen Fragen betreffen die Applikation und den Hersteller der Kamera: Welches Betriebssystem kommt in der Applikation zum Einsatz? Stellt der Kamerahersteller den passenden Treiber zur Verfügung? Werden die Entwicklungsumgebungen und Programmiersprachen des Applikationsentwicklers unterstützt?

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

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