11-2015

Bildverarbeitung Wenn

Bildverarbeitung Wenn µs zählen In rauen Industrieumgebungen ist der Einsatz von consumer-orientierten Interfaces nicht immer leicht: beidseitig verschraubte Stecker, lange Kabelstrecken, industrielle Kabeldurchführungen, robuste Schirmung gegen EMV- Einflüsse und speziell die Langzeitverfügbarkeit aller Komponenten wird häufig vorausgesetzt. GigE und USB3 Vision lösen zwar die meisten dieser Themen mehr oder weniger gut, speziell die Langzeitverfügbarkeit des Interfaces auf PC- Seite ist aber ein großes Problem. GigE und USB3 Chipsätze für PC- Interfaces wechseln schnell und oft ohne Ankündigung – eine Garantie zur Verfügbarkeit und gleichbleibender Performance und Kompatibilität ist nicht gegeben. Anders bei Matrox Framegrabbern: Zugesichert wird eine Verfügbarkeit von mehr als sieben Jahren, aktuell ist sogar ein Analog-Framegrabber von 1998 immer noch lieferbar. OEMs, die Maschinen mit langer Lebens- und Servicedauer in den Markt bringen, profitieren hier von der Langlebigkeit und dem umfassenden Lifecycle-Management von Matrox Imaging. Echtzeit Framegrabber Der Erfolg, den die beiden „consumer-orientierten“ Kamerainterfaces GigE und USB3 Vision in der Bildverarbeitung verzeichnen beeindruckt: innerhalb weniger Jahre sind die Absatzzahlen explo- Autor: Raoul Kimmelmann Geschäftsführer der Rauscher GmbH diert (auch wenn USB3 hier aktuell noch am Beginn des Ramp-Up steht) und als logische Konsequenz sinkt auf den ersten Blick betrachtet die Verbreitung und Akzeptanz der klassischen, framegrabber-orientierten Bildverfassung. Natürlich gibt es aber nach wie vor einen signifikant großen Markt für Framegrabber. Besonders anspruchsvolle Anwendungen, die vor wenigen Jahren noch als „unlösbar“ galten sind häufig verbunden mit dem Anspruch an ein Maximum an Performance, Stabilität und Ansprechverhalten. Sie erfordern oft dedizierte Bildverarbeitungs-Hard- und Software. Genau deshalb stellt Matrox Imaging eine neu entwickelte PCIe Framegrabber-Serie für die Interfaces Camera Link, CoaXPress und Camera Link HS vor. Wo liegen die Vorteile dieser Framegrabber und in welchen Märkten und Applikationen macht der Einsatz einer zusätzlichen Hardware-Komponente überhaupt noch Sinn? Industrialisierung und Langzeitverfügbarkeit Bandbreite Der Faktor Datenbandbreite ist eine der wichtigsten Kennzahlen für jedes Interface: die Sensortechnologie schreitet unaufhaltsam fort und Bilddaten werden immer nur größer durch die Zunahme von Pixel- Auflösung, Readout-Geschwindigkeit, Bittiefe und Anzahl der Farbkanäle (Stichwort: Multispektralkameras). In Punkto Transferleistung sind Framegrabber immer noch ungeschlagen: Camera Link, CoaXPress und Camera Link HS übertreffen die framegrabberlosen Schnittstellen bei weitem. Dies ist besonders interessant für Anwendungen, die auf Kameras mit der neuesten hochauflösenden, schnellen Sensorgeneration von Firmen wie On Semiconductor, CMOSIS, e2v oder DALSA aufsetzen. In Bereichen wie Semiconductor, Flat-Panel und Print wird schlichtweg eine riesige Menge an Bilddaten erzeugt und verarbeitet. Hierfür sind die Matrox Radient eV Boards konzipiert, die technische Basis ist für jedes Interface identisch: mit leistungsfähigen FPGAs für Datenhandling, LUTs, Bayer- Konversion und Farbraum-Konvertierung, dem 1 bis 4 GB onboard- Speicher und dem superschnellen PCIe x8 Gen 2.0 Interface leisten sie bis zu 4 GB/s Datendurchsatz. Nur das Grabber-Frontend unterscheidet sich von Version zu Version: • Camera Link 2.0 zusammen mit dem Extended-Full 10x 8 bit Mode bei vollen 85 MHz für 850 MB/s und 108 PC & Industrie 11/2015

Bildverarbeitung speziell für Mehrkamerasysteme eine Quad-Base bzw. Dual-Full Version dann mit bis zu 1,7 GB/s. • Die CoaxPress Variante ist mit zwei bzw. vier BNC-Steckern für die unabhängigen CXP-6 Links ausgestattet. Bis zu vier Single- Link Kameras mit je 6,25 Gbps oder einer Kamera mit bis zu 25 Gbps über Link-Aggregation können angeschlossen werden. • Camera Link HS mit einem CX4 (Kupfer-) Anschluss für das CLHS M-Protokoll mit 7 Daten- und einem Befehls-Kanal erlaubt den Transfer von 2,1 GB/s Bilddaten sowie allen Trigger- und I/O-Signalen über 15 m Kabel. Realtime – wenn µs zählen Aber nicht nur der Gesamtdurchsatz ist entscheidend: In anderen Anwendungen liegt das Hauptaugenmerk darauf, die Bilddaten schnell und deterministisch zur Auswertung vorliegen zu haben: z. B. ist bei AOI-Systemen in der Elektronikproduktion die Framerate nicht konstant hoch, es wird vielmehr eine Reihe von Bildern unter unterschiedlichen Lichtbedingungen möglichst schnell aufgenommen. Geschwindigkeit und Realtime sind besonders wichtig, da sofort im Anschluss die Mechanik die nächste Prüfposition anfährt. Bei mehreren tausend Prüfpositionen steigert eine schnelle, latenz- und jitterfreie Sequenzaufnahme den Gesamtdurchsatz des Inspektionsystems erheblich. In der Bildverarbeitung ist Windows als Betriebssystem am weitesten verbreitet. In der schnellen, stabilen und jitterfreien Bilderfassung liegt damit eine große Herausforderung. Windows ist nicht geeignet, Befehle im Millisekunden-Takt abzusenden (an Kamera oder Grabber) oder gar zu verarbeiten. Hier stören die vielen parallel laufenden Prozesse, die über den Windows Scheduler priorisiert werden und der unvorhergesehene Latenzen von bis zu 500 ms hervorrufen kann. Zwei Ansätze RTX64-Architektur Echtzeit Latenzverteilung um dieses Hindernis zu überwinden bietet Matrox auf den Radient eV Boards. Zum einen gibt es einen speziellen Burst-Grab-Mode. Dieser onboard-Frameakkumulator startet mit dem Absenden eines einzigen Software-Befehls eine High- Speed Aufnahme - der Framegrabber sorgt ohne den Eingriff des Betriebssystems für das Aufsetzen der Grabs sowie das Queing und Umschalten der Bildspeicherbereiche. Damit lässt sich z. B. auf der Radient eV CoaXPress eine Aufnahmefrequenz von >50 kHz stabil und ohne Frameverlust erreichen. Da auch in der anderen Richtung der Windows Scheduler eine zuverlässige, hochfrequente und latenzfreie Benachrichtigung für Ereignisse (z. B. das Vorliegen neuer Bilddaten zur Verarbeitung) verhindert, unterstützt Matrox auf allen Radient eV Framegrabbern die Windows Echtzeit Erweiterung RTX64 von Interval- Zero. RTX64 ist eine SMP-Erweiterung (Symmetric Multi Processing) und transformiert Windows in ein RTOS Real-Time Operating System. So läuft Bildaufnahme, Bildspeicherung und Bildverarbeitung unabhängig von Windows als eigenständiger Prozess auf einem eigenen Kern mit separatem Echtzeit-Scheduler. Die Bildverarbeitung ist damit zu 100% unabhängig von Windows, selbst die Bilddaten liegen nicht im Windows-Speicher, sondern in einem von Windows unabhängigen, getrennten Speicher. Der Vorteil liegt auf der Hand: durch die Entkopplung von Windows läuft die Bildverarbeitung unter einem echten Realtime-Kern und garantiert deterministische Antwortzeiten bei höchsten Frequenzen. Da Matrox Imaging die RTX64 Umgebung für die neuen Radient eV Bords voll unterstützt, lassen sich auch unter dem bekannten Windows echte Realtime-Systeme mit einem Maximum an Determinismus aufbauen. Fazit GigE und USB3 Vision sind aktuell die am meisten nachgefragten Interfaces, aber sie sind nicht für jede Applikation die optimale Lösung. Manche Anwendungen gehen sogar wieder zurück auf den Framegrabber, da er im Bereich Leistung und Datendurchsatz im deterministischen Umfeld die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems derart steigert, dass die Mehrkosten durch Hardware-Einsatz rentabel sind. Hier kommt die Stärke von Matrox Imaging als einer der wenigen Anbieter von Hardware und Software zum Tragen. Alle Interfaces – mit und ohne Framegrabber – unter Standard-Betriebssystemen oder in einer echten Realtime-Umgebung werden unterstützt. So hat der Anwender immer die freie Wahl, je nach den Anforderungen der nächsten Applikation. • RAUSCHER GmbH info@rauscher.de www.rauscher.de PC & Industrie 11/2015 109