Der maximal erreichbare Produktionsdurchsatz ist eines der wichtigsten Ziele in der industriellen Automation mit Bildverarbeitung. Steigende Sensorauflösungen und Bildraten der Kameras helfen bei der Erreichung dieses Ziels, stellen aber auch neue Anforderungen an die Datenübertragung. Schnittstellen wie beispielsweise CoaxPress und 10GigE sowie Embedded-Systeme stellen viele Vision-Anwender vor die Frage, wie sie ihre Kamera in der bestmöglichen Konfiguration verbinden können. Die Verwendung von Framegrabbern für industrielle Anwendungen in Hochgeschwindigkeit kann dabei spezifische Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Datensicherheit und die verlässliche Synchronisation mehrerer Kameras bieten.
Schnell und ohne Datenverlust
Auch heute noch sind Framegrabber die wohl 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 25 GB/s stellen hierbei eine der schnellsten Möglichkeiten 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 gemäß Framos langsamer und basieren vollständig auf Netzwerkkarten. Bei der Verwendung eines Framegrabbers entfällt zudem das Risiko, dass Daten verloren gehen. Onboard-Puffer speichern die Bilddaten vorübergehend, sodass die Bilder vor der Übertragung an den Host-PC rekonstruiert oder gespiegelt werden können. 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.
Beispielsweise die industrielle Inspektion sowie 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 dabei zu den gängigsten Beispielen, da die Framegrabber die Bildaufnahmen mit den ankommenden Triggern synchronisieren und gleichzeitig die Bilder vorverarbeiten können. Auf diese Weise ist es möglich, die Pass-/Fail-Kriterien eines Produkts zuverlässig zu bestimmen und entsprechende Signale an die SPS zu senden.
Funktion und Zweck eines Framegrabbers
Um besser zu verstehen, ob ein Framegrabber für ein Bildverarbeitungssystem oder eine Anwendung vorteilhaft ist, ist ein allgemeiner Blick auf seine Funktionen und seinen Zweck wichtig. Aufgrund von speziellen Synchronisationsfunktionen erfasst und überträgt ein Framegrabber hochauflösende Bilder mit sehr hohen Geschwindigkeiten in Echtzeit. Dabei verwaltet er 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 zudem alle notwendigen Tasks und Prozesse zum Verschieben dieser Daten in den und aus dem Speicher, sodass die CPU für andere Aufgaben zur Verfügung steht. Er kann auch vorab die komplette Bildverarbeitung und eventuell weiteres Onboard-Processing der Bilddaten erledigen. Außerdem akzeptiert ein Framegrabber schnelles Triggering und/oder Encodersignale zur nahtlosen Synchronisation bei Bildaufnahmen bewegter Objekte oder über multiple Kameras und ermöglicht verschiedene Bildaufnahme-Modi. Darüber hinaus können Framegrabber eine verzögerte Bildverarbeitung im Hintergrund des Gesamtprozesses unterstützen sowie ein allgemeines „bildbereit“-Signal an die SPS oder andere angeschlossene Geräte übermitteln, sodass es in der Automatisierung möglich ist, sie beispielsweise als Output-Manager zu nutzen. Die Eigenschaften und nutzbaren Funktionen im Überblick:
- Übernahme der gesamten Bilderfassung und des I/O-Managements durch ein einziges Gerät
- Management aller externen Geräte, deren Triggering sowie der Synchronisierung
- All-in-One-Verwaltung mit zahlreichen erweiterten Bildverarbeitungsfunktionen
- Übernahme der gesamten Vorverarbeitung sowie der Bildvorbereitung – beispielsweise durch Debayering oder Farbkorrekturen
- Signalsynchronisation bei Line Scan-Anwendungen durch Dual-Triggering
- hohe Datenraten von bis zu 25 GB/s
- mögliche Latenzen von unter 1 µs
Durch diese Funktionen kann es ein Framegrabber Anwendern ermöglichen, dass in einem optimal ausgelegten Bildverarbeitungssystem der maximal mögliche Durchsatz mit der maximal erreichbaren Geschwindigkeit erzielt wird. CoaXPress-Modelle wie der Coaxlink Quad 3D-LLE mit Onboard-IP von Euresys übernehmen beispielsweise die 3D-Laserlinienextraktion und -triangulation, sodass eine präzise Abstimmung der Laserlinien bei exakten Messaufgaben möglich ist.
Die vier wichtigsten Auswahlkriterien
Um die bestmögliche Bildleistung und Systemintegration erzielen zu können, sollten Anwender bei der Auswahl eines Framegrabbers besonders folgende vier Kriterien berücksichtigen:
- Kameratyp
- Schnelligkeit – Wie schnell ist der Kamerasensor? Ist es ein Flächen- oder Zeilensensor?
- Farbigkeit – Erfolgt die Bildaufnahme in Schwarz-Weiß oder Farbe? Farbige Bilder beanspruchen aufgrund ihrer höheren Bildgröße normalerweise mehr Bandbreite.
- 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 an das 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. ik
Weitere Informationen zu Framegrabbern bei Framos:
Hannover Messe 2018: Halle 17, Stand E47
