Vision-Systeme mit Framegrabbern beschleunigen
Beschleunigen!
In der industriellen Automatisierung mit Bildverarbeitung gilt es, den höchstmöglichen Produktionsdurchsatz zu erreichen. Steigende Sensorauflösungen und Bildraten der Kameras helfen dabei, stellen jedoch auch neue Anforderungen an die Datenübertragung. Schnittstellen wie CoaxPress, 10GigE sowie Embedded-Systeme stellen viele Vision-Anwender vor die Frage, wie sie ihre Kamera am besten konfigurieren. Die Verwendung von Framegrabbern für industrielle Anwendungen in Hochgeschwindigkeit bietet dabei spezifische Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Datensicherheit und die verlässliche Synchronisation mehrerer Kameras.
(Bild: ©alphaspirit/Fotolia.com)
Um besser zu verstehen, ob ein Framegrabber für ein Bildverarbeitungssystem oder eine Anwendung vorteilhaft ist, ist ein Blick auf die Funktionen und den Zweck eines Framegrabbers wichtig. Durch spezielle Synchronisationsfunktionen erfasst und überträgt ein Framegrabber hochauflösende Bilder mit sehr hohen Geschwindigkeiten in Echtzeit. Ein Framegrabber verwaltet die Bilddaten, die von der Kamera über den PCI-Bus in den Speicher des PC hochgeladen werden. Durch den Direct Memory Access (DMA) des Framegrabbers wird eine CPU-Überlastung durch Bildübertragungsvorgänge vermieden, indem die Bilddaten direkt in den RAM-Speicher des PC verschoben werden. Der Framegrabber übernimmt alle notwendigen Tasks und Prozesse zum Verschieben dieser Daten in den und aus dem Speicher, sodass die CPU für andere Aufgaben zur Verfügung steht. Außerdem kann er vorab die komplette Bildverarbeitung und eventuell weiteres Onboard-Processing der Bilddaten erledigen. Ein Framegrabber akzeptiert schnelles Triggering und/oder Encodersignale zur nahtlosen Synchronisation bei Bildaufnahmen bewegter Objekte oder über multiple Kameras. Framegrabber ermöglichen verschiedene Bildaufnahme-Modi und unterstützen eine verzögerte Bildverarbeitung im Hintergrund des Gesamtprozesses. Der Framegrabber kann ein allgemeines ‚bildbereit‘-Signal an die SPS oder andere angeschlossene Geräte übermitteln, sodass er in der Automatisierung beispielsweise als Output-Manager genutzt werden kann.
Die Vorteile von Framegrabbern
Die wichtigsten Vorteile eines Framegrabbers liegen darin, in einem Bildverarbeitungssystem die Ergebnisse bei hoher Geschwindigkeit zu erzielen und damit vom höchstmöglichen Durchsatz zu profitieren.
• Übernahme der gesamten Bilderfassung und des I/O-Management von einem einzigen Gerät
• Management aller externen Geräte und deren Triggering und Synchronisierung
• Hohen Datenraten von bis zu 25GB/s
• All-in-One-Verwaltung mit zahlreichen erweiterten Bildverarbeitungsfunktionen
• Framegrabber übernimmt gesamte Vorverarbeitung und Bildvorbereitung wie beispielsweise Debayering oder Farbkorrekturen
• CPU steht derweil für andere Aufgaben zur Verfügung
• Dual-Triggering ermöglicht Signalsynchronisation bei Line-Scan-Anwendungen
• Latenzen unter 1µs möglich
Durch diese Merkmale und Funktionen sind Framegrabber eine einfache Lösung zur Verwaltung und Synchronisation von Bildverarbeitungssystemen in Echtzeit mit einer oder mehreren Kameras und der gleichzeitigen Unterstützung verschiedener Triggermodi. CoaXPress-Modelle wie der Euresys Coaxlink Quad 3D-LLE mit Onboard-IP übernehmen beispielsweise die 3D-Laserlinienextraktion und Triangulation, sodass eine präzise Abstimmung der Laserlinien bei exakten Messaufgaben möglich ist.
Framegrabber nutzen
Auch heute noch sind Framegrabber die beste Möglichkeit, eine Erhöhung der maximalen Geschwindigkeit und Auflösung der an eine Anwendung angeschlossenen Kameras zu erreichen. CoaxPress-Modelle mit bis zu vier Kanälen und 25GBps stellen hierbei die schnellste Möglichkeit zur Verbindung von Kameras und PC dar und unterstützen sehr hohe Auflösungen nahezu ohne Latenz in der Übertragung. Andere Lösungen mit hoher Bandbreite und direkter Verbindung, wie beispielsweise 10GigE-basierte, sind bedeutend langsamer und basieren vollständig auf Netzwerkkarten. Bei der Verwendung eines Framegrabbers entfällt das Risiko, dass Daten verloren gehen. Onboard-Puffer speichern die Bilddaten vorübergehend, sodass der Framegrabber die Bilder vor der Übertragung an den Host-PC rekonstruieren oder spiegeln kann. Die Bilder, die direkt in den RAM-Speicher übertragen werden, stehen sofort für CPU- oder GPU-Aufgaben zur Verfügung. Wichtig ist auch, dass alle Schnittstellen, Geräte und Parameter für mehrere Kameras und Systeme je nach Positions- und Timing-Parametern korrekt synchronisiert werden können, und zwar gleichzeitig mit der Onboard-Bildverarbeitung. Damit verringert sich wiederum die Belastung der CPU, die somit für andere Aufgaben frei bleibt.
Vier Kriterien für die Auswahl des richtigen Framegrabbers
Die individuellen Eigenschaften jedes Framegrabbers sind entscheidend für die Auswahl des richtigen Modells für eine Anwendung, um eine gelungene Bildleistung und Systemintegration zu erzielen. Bei der Auswahl eines Framegrabbers für eine spezifische Applikation sollten insbesondere vier Kriterien berücksichtigt werden:
• Kameratyp
1. Schnelligkeit: Wie schnell ist der Kamerasensor? Ist es ein Flächen- oder Zeilensensor?
2. Farbigkeit: Erfolgt die Bildaufnahme in Schwarz-Weiß oder Farbe? – Farbige Bilder beanspruchen aufgrund ihrer höheren Bildgröße normalerweise mehr Bandbreite.
3. Anwendungsumgebung: Wo soll der Framegrabber verwendet werden?
• Kamera-Schnittstelle – Je nach Schnittstelle und Anschlussart gibt es verschiedene Modelle und Optionen.
• Anzahl der Kameras – Wie viele Kameras sollen ans System angebunden werden? Insbesondere wenn mehrere Kameras synchronisiert werden oder ein bereits installiertes System erweitert wird, empfiehlt sich ein Framegrabber.
• Software – Der Framegrabber muss softwareseitig kompatibel mit der Anwendungsumgebung sein.
Alle notwendigen Informationen, um den geeignetsten Framegrabber für eine bestimmte Anwendung auszuwählen und die jeweils unterstützten Funktionalitäten sind den Datenblättern der Hersteller zu entnehmen.
(Bild: Framos GmbH)
Typische Anwendungen
Framegrabber werden meist dazu eingesetzt, die maximale Bandbreite und Datenübertragungsrate in Hochgeschwindigkeitsanwendungen zu erzielen. Die industrielle Inspektion, Broadcasting- und Sportanwendungen profitieren von der latenzarmen Synchronisation mehrerer Kameras, um die bestmögliche Bildanalyse aus verschiedenen Winkeln und Perspektiven zu erhalten. Die Qualitätsprüfung an Produktionsbändern mit sehr hoher Geschwindigkeit zählt zu den gängigsten und besten Beispielen, bei denen Framegrabber überzeugen, da sie die Bildaufnahmen mit den ankommenden Triggern synchronisieren und gleichzeitig die Bilder vorverarbeiten können. Auf diese Weise können die Pass-/Fail-Kriterien eines Produkts zuverlässig bestimmt und entsprechende Signale an die SPS gesendet werden, wobei die CPU deutlich entlastet wird und damit für weitere Aufgaben verfügbar ist.
Warum ein Framegrabber sinnvoll ist
Ein Framegrabber stellt innerhalb eines Bildverarbeitungssystems Funktionen für die Bilderfassung von hochauflösenden Bildern in Hochgeschwindigkeit bereit. Applikationsingenieure können damit ein Bildverarbeitungssystem mit deutlich erweiterten Aufnahmemöglichkeiten erstellen und gleichzeitig eine hochzuverlässige und konsistente Imaging-Pipeline ohne die Gefahr von Datenverlusten aufbauen. Mit Framegrabbern lassen sich Kameras bequem und zuverlässig mit dem PC verbinden, gerade in hochauflösenden Anwendungen, bei denen schnelle Datenübertragungs- und Trigger-Funktionen erforderlich sind.
Autor: Dr. Frederik Schönebeck,
Field Application Engineering,
Framos GmbH
www.framos.de
