Kamerabilder verarbeiten
Anforderungen auf den Punkt berechnen
Kamerabilder aus Industrie und industrienahen Anwendungen mit einem embedded PC zu verarbeiten – das lässt sich nicht nebenbei umsetzen. Es gilt, die richtige Schnittstelle zu wählen, das zeitgerechte Triggern der Bildaufnahme oder die Echtzeitreaktion von IOs zu berücksichtigen. Schnell sind hier die Rechenkapazitäten auch aktueller Hochleistungsprozessoren ausgeschöpft. Eine weitere Herausforderung betrifft die Beleuchtung, die stromgeregelt exakt blitzen muss. Die Anforderungen an auf die Bildverarbeitung spezialisierte embedded PCs sind präzise zu berechnen. Unterstützung bietet hierbei das Branchen-Know-how der Hersteller.
Eine typische industrielle PC-basierte Bildverarbeitungsanwendung benötigt – ergänzend zu Kameras und Rechner – verschiedene Peripheriekomponenten. Diese werden gebraucht, um die – in der Regel geblitzte – LED-Beleuchtung, digitale IOs oder die Maschine selbst anzusteuern. Es gilt, eine Reihe von Boxen, PC-Einsteckkarten usw. zu verbinden. Doch meist lässt sich dies nicht auf Anhieb in Betrieb nehmen: Gilt es Kabel, Treiber und Timing anzusteuern, müssen sich Anwender bereits hier mit Themen wie Systemanforderung, Betriebssystem und Treiber auseinandersetzen. Die Imago Technologies GmbH, Anbieter für embedded Vision, hat dieses Thema aufgegriffen und eine Familie von embedded PCs entwickelt, die den Aufbau von Bildverarbeitungssystemen vereinfacht. Denn Anwender erhalten oftmals nicht die gewünschten Aufnahmen, wenn sie lediglich die Kamera anschließen. So bewegen sich Produkte in der Regel auf einem Fließband oder in einer Maschine zu schnell für die Belichtungszeit der Kameras. In Folge entstehen verwischte Fotos. Fotografen greifen dann zu kurzen Belichtungszeiten und installieren einen Blitz. Aktuell übernehmen diese Aufgabe LED-Beleuchtungen. Per Dauerstrom erzeugen diese zwar nicht genügend Licht, doch bei kurzen Ein- und langen Ausschaltphasen verträgt die LED mehr Strom und wird über den höheren Strom heller. Zum Blitzen müssen Kameraparameter mit der LED-Beleuchtung harmonieren: Die Bildauslösung muss parallel zum LED-Blitz erfolgen. Hier bietet sich an, Trigger und LED-Beleuchtung an einen Rechner anzuschließen und die Parameter einheitlich per Software zu verwalten. Der embedded PC VisionBox AGE-X bietet beispielsweise diese Funktionalität: GigE-Kameras werden an den Rechner angeschlossen, ein integrierter Blitzkontroller versorgt bis zu zwei – demnächst vier – LED-Beleuchtungen mit den passenden Stromstärken. Der Trigger der Kamera wird zeitgerecht geliefert. Ergänzend stellt der Rechner die Kameraversorgungsspannung zur Verfügung. Hierbei sind die Rechner nicht auf bestimmte GigE-Kameramodelle beschränkt, Anwender können einfach das Software Development Kit (SDK) des Kameraherstellers nutzen.
Unendlich lange Bilder von Zeilenkameras
Für das Aufnehmen von Objekten auf einem Fließband, bietet sich an, statt auf die weit verbreiteten Flächenkameras auf Zeilenkameras zurückzugreifen. Diese Kamera funktioniert ähnlich wie ein Scanner: Er nimmt mit hoher Geschwindigkeit Bildzeile für Bildzeile auf, Anwender erhalten damit ein unendlich langes Bild. Zeilenkameras eignen sich für Bahnware wie Papier, Stoffe, Stahl oder Aluminium, aber nicht nur dafür: Sind Produkte wie auf einem Fließband mehr lang als breit, scannt man mit der hohen Auflösung zur Querrichtung von z.B. 4.000 oder 8.000Pixeln das Objekt ab. Hier gilt es, die Zeilenkamera mit der Fließbandgeschwindigkeit zu synchronisieren, typischerweise über einen klassischen Drehgeber. Dieser liefert die Signale per RS422-Schnittstelle an die VisionBox. Diese generiert daraus den Zeilentrigger der Kamera.
Über die Bildbearbeitung Ausschuss vom Band holen
Die Kommunikation mit der Maschine erfolgt oftmals per Ethernet, dennoch kann darüber nicht alles übertragen werden: Opto-entkoppelte IOs erweisen sich als nützlich, um lokale Aufgaben wahrzunehmen. Die IOs lassen sich direkt an eine Lichtschranke zum Auslösen der Kamera anschließen. Eine andere Möglichkeit ergibt sich, wenn direkt Stößel oder Ventile zum Ausschleusen fehlerhafter Produkte geschaltet werden. Gleichzeitig zeigt eine Signallampe Störungen an. Anwendern stehen jeweils acht Ein- und Ausgänge bereit, um Sensoren und Aktoren für diese kleinen Alltagsaufgaben anzubinden. Weitere Funktionalitäten lassen sich über PCIe-Einsteckkarten umsetzen. Hier bietet Imago den embedded Rechner mit der Ausstattungsvariante für den Einbau von zwei PCIe-Karten an. Das Betriebssystem Windows7 embedded gestattet, den Treiber des Kartenherstellers zu installieren und zu nutzen.
Permanent hohe Rechenleistung
Kommerzielle Prozessoren werden bzgl. ihrer Produktlebensdauer kurz gefertigt und in Standard-PCs verbaut. Für Industrieanwendungen existieren jedoch spezielle embedded Serien, die mehr als fünf Jahre erhältlich sind. Im Bereich der Bildverarbeitung müssen die Produkte zusätzlich zur Langzeitverfübarkeit hohe Rechenleistung bieten. Damit steigen Stromverbrauch und Kühlung des Prozessors, in der Regel per Lüfter. Anders als bei Desktop-PCs, die gelegentlich 3D-Darstellungen erzeugen müssen, fordert die Bildbearbeitung vom Rechner permanent hohe Rechenleistung. Daher können Anwender hier nicht – wie bei digitalen Anzeigetafeln – auf Tricks wie sogenannte Boost-Strategien zurückgreifen, bei der kurzfristig die Rechenleistung gesteigert wird. Industrielle Bildverarbeitung arbeitet rund um die Uhr, hohe Performance muss daher permanent zur Verfügung stehen. Diese Palette an Anforderungen an die industrielle Bildverarbeitung ergänzt zudem der Wunsch und die Notwendigkeit, die Rechner lüfterlos betreiben zu können. Normalerweise mit anderen Komponenten im Schaltschrank eingebaut, sollen sie über Jahre ihren Dienst ohne jegliche Wartung verrichten. Diesen Ansprüchen versucht die VisionBox AGE-X gerecht zu werden: Von Atom bis zum i7 stehen Prozessoren zur Verfügung, die für Bildverarbeitung geeignet sind. In allen Versionen ist die embedded Serie von Intel eingesetzt. Durch den Einsatz aktueller Technologie bleibt der Stromverbrauch gering und der Rechner lässt sich ohne Lüfter betreiben.
Atom oder i7 – Klassische Bedienung oder Multi-Touch
Doch bei Bildverarbeitungsaufgaben geht es nicht nur um die von den Algorithmen benötige Rechenleistung. Weitere Themen betreffen die Bedienoberfläche und die Kommunikation per Netzwerk. Alte Anlagenbedienungen sehen oft spartanisch und unmodern aus – benötigen jedoch für die Grafik kaum Rechenleistung; Multi-Touch und HMIs mit 3D-Effekten wie Schatten oder Tiefe benötigen wiederum hohe Rechenleistung. Daher gilt es zu überlegen, wie oft ein Live-Bild angezeigt werden oder die Statistikgrafik erneuert werden muss. Dann sind Standardaufgaben auch mit einem nicht so leistungsstarken Atom-Prozessor umsetzbar. Die Webseite cpubenchmark.net zeigt hierzu beispielsweise Vergleichswerte im CPU Benchmark: Ein Pentium M mit 1,4GHz, oft in Industrie-PCs verbaut, kommt beim PassMark PerformanceTest auf 368 Punkte, der Atom der VisionBox AGE-X hingegen auf 656 Punkte. Der i7 bei 1GHz gelangt zu 1.482 und mit 2GHz auf einen Wert 1.621.
Herausforderung Echtzeit
Weitere Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Bildbearbeitungssystems betreffen Kameraauflösung und Echtzeitbedingungen. Beispielsweise nehmen zwei typische Kameras mit einer Chipauflösung von einem Megapixel Bilder von Etiketten auf, an denen 20 Etiketten in einer Sekunde vorbeilaufen. Echtzeit heißt somit, dass Bildauswertung und Ergebnisausgabe nach 1s/20 – also 50ms – abgeschlossen sein müssen. Der Rechner erhält also pro Sekunde eine Datenrate von: 1Megapixel von jeder der beiden Kameras mal 20 Bilder, entsprechend 40Mbyte in jeder Sekunde. Die Bildaufnahme ist bei einer Kamera, die 60 Bilder pro Sekunde liefert nach rund 17ms abgeschlossen. Zusätzlich sollte man eine Sicherheit von 3ms geben. Somit bleibt für die Verarbeitung der beiden Bilder 30ms, also pro Bild 15ms. In diesem Beispiel arbeitet der Prozessor mit einem Takt von 1,5GHz, das heißt ein Prozessortakt dauert 0,75ns. Erhält er innerhalb von 15ms ein Bild von einem Megapixel, ergibt sich pro Pixel im Mittel 15ms/1MPixel oder 15ns/Pixel. Dem 1,5GHz schnellen Prozessor bleiben im Mittel 20 Zyklen pro Pixel für die Berechnung. Schnell sind also die hohen Rechenleistungen für Bildaufnahme, CPU-Last, Betriebssystem, HMI und Echtzeit ausgeschöpft. Eine Vorabrechnung oder ein Testaufbau sind daher sinnvoll. Auch kann mit Hilfe von Testprogrammen das System unter Stress gesetzt werden, um das Zeitverhalten zu simulieren, ohne dass bereits die Applikation entwickelt wird. Rechenleistung hängt also nicht nur von den Algorithmen ab, das Konzept muss richtig ausgelegt sein. Als Experte auf diesem Gebiet berät die Imago Technologies GmbH Unternehmen und hinterfragt die Anforderungen, damit die Systemauslegung passend erfolgt. Ziel ist es, dem Anwendungsprogrammierer ein möglichst hochwertiges, für seine Aufgabe einschaltfertiges System zu übergeben.
Erweiterbare Standardmodelle
Die Familie der VisionBox AGE-X nutzt die ComExpress Rechenmodule bekannter Hersteller und kann damit auf Marktänderungen schnell reagieren. Alle anderen Komponenten sind Eigenentwicklungen, das heißt Basis- und Zusatzboards ebenso wie echtzeitfähige IOs, LED-Controller, PCEe-Treiber und Betriebssystem-Treiber. Anpassungen an Applikationen lassen sich somit schnell durchführen und benötigen kein Know-how dritter. Ebenso kann das embedded OS Win7 für Serienanwendungen modifiziert werden. Zur Verfügung stehen sechs, demnächst zwölf Standardmodelle. Da industrielle Bildverarbeitungsanwendungen sehr vielfältig sind, reicht im Alltag keine einzelne Produktfamilie mehr aus, eine weitverzweigte Verwandtschaft ist notwendig. Für OEM-Serien kann aus der Technologie ein Anwenderprodukt abgeleitet werden, sei es durch Einsteckboards wie PCIe und mini-PCI, Firmware-Erweiterung oder echtzeitfähige Hochleistungsbildvorverarbeitung mit Multi-Core embedded Rechnern. Letztere kommen in Kürze mit aktueller Technik auf den Markt und bieten bis zu 160GFlops an Rechenleistung, um dem PC dann vorverarbeitete Metadaten zur Verfügung zu stellen. OEM-Versionen mit weiteren Alleinstellungsmerkmalen sind umsetzbar. Die VisionBox AGE-X repräsentiert damit nicht nur die erforderliche Technologie, sondern auch die Erfahrungen des seit 18 Jahren im Markt bestehenden Herstellers.
Lange Belichtung: Unscharfe Bilder
In einem Beispiel bewegt das Fließband einer Maschine Produkte mit einer Geschwindigkeit von 5m/s, also 5.000mm/s. Dabei wurde der interessante Bildausschnitt in der Größe 100x100mm bei einer Kameraauflösung von 2.000×2.000Pixel und einer Belichtungszeit bei 1ms gewählt: Das Fließband bewegt sich in dieser Millisekunde um 5mm bzw. 50µm pro Pixel. Entsprechend werden während der Belichtungszeit auf dem Bildsensor in der Kamera 100Pixel beleuchtet. Als Ergebnis erhalten Anwender ein unscharfes Bild. Dieser Effekt lässt sich umgehen, wenn Anwender die Shutterzeit auf Bereiche von µs verkürzen; bei 20µs beispielsweise ergibt sich eine Belichtungszeit von 1/50.000s. Dies ergäbe jedoch ein sehr dunkles Bild: Anwender sollten Blitzlicht einsetzen.
