- Abgekündigte Produktlinie -

Fast configuration als Lösung für schnell wechselnde, individuelle Bildausschnitte

Eine Lösung zur Aufnahme sehr schneller Bildfolgen mit von Bild zu Bild wechselnden Systemkonfigurationen haben die Firmen Photonfocus AG und Silicon Software GmbH entwickelt. Bestehend aus einer schnellen, hoch-auflösenden CMOS Kamera und einem Framegrabber mit FPGA (Field Programable Gate Array) Intelligenz kann es die Auslesefenster (Regions of Interest ROI) in Größe und Position frei setzen und kontrolliert darüber hinaus die dynamischen Parameter der Kamera (Belichtungszeit und Sensorkennlinie) für jedes Bild. Mit der Verwaltung einer beliebigen Anzahl virtueller ROIs und seiner hohen ROI Einstellfrequenz von 100 kHz ist es auch für sehr anspruchsvolle Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung geeignet.

Eine häufige Aufgabenstellung in der Qualitätssicherung ist die Erfassung von unterschiedlichen Bildausschnitten eines Objektes bei hoher Geschwindigkeit. Erschwerend kommt hinzu, dass diese Bildbereiche unterschiedlich ausgeleuchtet sind. Der bisherige Lösungsansatz war die Verwendung einer hohen Anzahl von niedrig auflösenden Kameras, Low-Cost Multi-Channel-Framegrabbern und Standard-PCs. Der Vorteil dieser aufwendigen Lösung war die individuelle Parametrisierbarkeit der Komponenten. Der Nachteil war die hohe Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems aufgrund der Vielzahl von Komponenten und die Probleme bei der Anlagensteuerung. Eine weitere Anforderung von Anwendern der industriellen Bildverarbeitung ist die Erfassung von schnell bewegten Objekten mittels sukzessiver Verschiebung von kleinen Auslesefenstern.

ROI und CMOS Kameras

Bisher konnte für diese Anforderungen keine Systemlösung mit einer Kamera und einem Framegrabber angeboten werden. Diese Einschränkungen ergaben sich durch die eingesetzte CCD Sensortechnologie und die darauf abgestimmten Erfassungssysteme. Die CCD Technologie für Bildsensoren erlaubt nur äußerst eingeschränkt die Wahl einer ROI. Eine freie Wahl der ROI ohne Einbußen in der Datenrate für den Bilddatentransfer ist erst mit CMOS Bildsensoren und entsprechenden CMOS Kameras möglich. Dabei muss die Auslesearchitektur des Bildsensors derart gestaltet sein, dass ROI Einstellungen von Bild zu Bild nicht zu einer Reduzierung der Bilddatenrate führen. Die Erfassung von in Größe und Position variablen ROI stellt an den Framegrabber und die Erfassungssoftware sehr hohe Anforderungen bezüglich der Bildsynchronisation, Bilderfassung und der Parametrisierung der Kamera. Bisherige Systemarchitekturen sind für den Fall einer schnellen Kommunikation zwischen Framegrabber und Kamera zur Parametereinstellung nicht ausgelegt. So ermöglicht z.B. der CameraLinkTM Standard zwar den schnellen Transfer der Bilddaten von der Kamera zum Framegrabber. Zur Kamerasteuerung wird jedoch eine serielle Schnittstelle mit geringer Bandbreite in Anlehnung an den RS-232 Standard verwendet.

Fast Configuration als Systemlösung

Zur Lösung der vorgestellten Problematik wurde in gemeinschaftlicher Entwicklung der Photonfocus AG aus Lachen (Schweiz) und der Silicon Software GmbH aus Mannheim (Deutschland) eine Systemlösung erarbeitet. Photonfocus ist spezialisiert auf CMOS-Bildsensoren und CMOS-Kameras für schnelle und hochdynamische Applikationen. Silicon Software ist auf rekonfigurierbare Framegrabber mit FPGA Pipelineprozessoren zur Bilddatenvorverarbeitung fokussiert. Die Framegrabber werden unter Microsoft Windows wie auch Echtzeitbetriebssystemen wie z.B. QNX6.x oder Realtime-Linux unterstützt. Grundlage für die gemeinsam entwickelte Fast Configuration Systemlösung sind eine modifizierte Hochgeschwindigkeitskamera MV-D1024-80CL mit einem CMOS Sensor mit LinLogTM-Technologie und der programmierbare Framegrabber microEnable III mit FPGA Coprozessor (Abb. 1). Die Fast Configuration Lösung basiert auf dem CameraLinkTM Standard, da er einen schnellen Transfer der Bilddaten garantiert. Zusätzlich zum Standard wurde eine schnelle Kommunikation zur Konfiguration der CMOS Kamera implementiert.

Abb. 1: In der Systemlösung eingesetzte Komponenten: der Silicon Software Framegrabber microEnable III und die Photonfocus Kamera MV-D1024-80CL.

Hand in Hand

Die CMOS Technologie bietet die Möglichkeit, beliebige Bereiche eines Sensors bei hohen Bildraten auszulesen und mit ausreichender Dynamik darzustellen. Für die Implementierung wurde die CMOS Kamera MV-D1024-TrackCam mit einer Hochgeschwindigkeitsschnittstelle ausgerüstet, die der Parametrisierung der Kamera dient. Bei dem verallgemeinerten Lösungsansatz darf die Anzahl der virtuellen ROI beliebig groß sein. Ebenso sind die Größe und Position der Fenster frei einstellbar und Überlagerungen der Auslesefenster sind erlaubt (Abb. 2). Jedes Fenster kann individuell parametrisiert werden, wobei sich die Parameter von Bild zu Bild verändern dürfen. Zugelassen wurden nicht nur beliebige Werte für die Belichtungszeit, Dynamik oder Bildfrequenz, sondern auch Einstellungen für die LinLogTM Parameter (linear-logarithmische Sensorkennlinie). Der Framegrabber übernimmt in dieser Systemlösung die Kontrollfunktion über die Kamera. Er verwaltet hardwaregesteuert die Parametereinstellungen, die Koordinaten für die einzelnen ROIs sowie die eindeutige Zuordnung von Bildernummern und Fensternummern. Damit ist es z.B. möglich, eine Kreisform zu erfassen (Abb. 2). Zusätzliche Bildvorverarbeitungen sind global oder individuell auf einzelne ROI abbildbar und werden wie ein Parameter für die Bildeigenschaft übergeben. Lediglich die Leistungsfähigkeit des FPGA Coprozessors begrenzt hierbei die Anzahl der unterschiedlichen Bildvorverarbeitungsmethoden.

Abb. 2: Links eine Anordnung von ROIs auf dem Sensor zur Erfassung einer Kreisform, rechts die Nutzung einer ROI zur Verfolgung schnell bewegter Objekte

Ping-Pong mit 100 kHz

Das größte Problem bei dem Zusammenspiel der beiden Komponenten ist die begrenzte Kommunikationsgeschwindigkeit der CameraLinkTM Spezifikation. Um eine ausreichende Bandbreite für den Austausch der Informationen und der Steuerung der Kamera zu erreichen, wird die Kommunikationsgeschwindigkeit auf 50 Mega-Baud (50 MBit/s) erhöht. Bei einer durchschnittlichen Datenmenge von 500 Bit pro Parametersatz erhält man eine Übertragungsleistung von 100.000 Parameterdatensätzen pro Sekunde. Hiermit können beispielsweise 100 virtuelle ROIs mit einer Frequenz von 1000 Bildern/sek. gesteuert werden. Da sowohl Kamera als auch Framegrabber mit dieser Übertragungsgeschwindigkeit optional arbeiten können, bleiben die Komponenten auch weiterhin 100% CameraLinkTM kompatibel. Die Synchronisierung wird durch die Verwendung von einer Kamera und einem Framegrabber vereinfacht, trotzdem kann jede Komponente im System individuell konfiguriert werden. Die Kameraparameter werden mit dem beginnenden Bilddatentransfer übertragen. Kurz vor der Integration des neuen Bildes werden diese Parameter für die Bildaufnahme aktiviert.

Abb. 3: Parameterübertragung für aufeinanderfolgende Bilder

Einsatz im Pilotprojekt

In einem Pilotprojekt der Firma Trumpf werden unabhängige Prozesse während des Laserschweißens aufgenommen und analysiert. Bei einer Bildrate von 1.000 Bilder/sek. und ständig wechselnden Belichtungs- und Dynamikeinstellungen ist die Fast Configuration die prädestinierte Lösung für diese Applikation.

Weitere Informationen zur TrackCam:

Photonfocus AG
Tel.: +41 (0) 55 451 00 00
info@photonfocus.com
www.photonfocus.com

Sprachwechsel

Seitenanfang