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2-2017

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Sensoren Bild 4:

Sensoren Bild 4: Testchart des Super-Low-Light Tests. Der orangefarbene Kasten zeigt die folgenden Ausschnittsvergrößerungen Bild 5: Ausschnittsvergrößerung des Testcharts – Rauschverhalten der einzelnen Kameras in mit 1,0 Lux beleuchteter Umgebung riges Optimieren in der eigenen Applikation. Aufbau der Kamera: Baugröße, Temperaturentwicklung, Hardwareperformance Für die Entscheidung und den Vergleich von Kameras ist auch die Hardware sehr wichtig. Vorrangig wären dies die Baugröße außen, die verwendete Hardware innen und ihre Reaktion auf Umwelteinflüsse, insbesondere der Temperatur. Gleiche Sensoren finden sich in ganz unterschiedlichen Kameraformaten wieder. Während sich für Sensorgröße bis 2/3“ ein C-Mount und ein Formfaktor von 29 × 29 im klassischen Machine Vision Markt durchgesetzt hat, gibt es bei kleineren (vor allem Rolling Shutter CMOS) Sensoren kleinere Baugrößen oder sogar Boardlevel- Varianten. Kleine Baugrößen bringen mehr Flexibilität, um Platz im System zu sparen. Da aber auch Stromverbrauch und Wärmeentwicklung (weil für die Wärmeabgabe eine große Oberfläche eher von Vorteil ist) beachtet werden müssen, findet sich meist ein Optimum in der Mitte. Haptik Während in typischen Fabrikautomatisierungs-Anwendungen eher dieses Optimum wichtig ist, gibt es zum Teil Anwendungen aus anderen Bereichen, wie Medizintechnik, wo das Gehäuse noch andere Eigenschaften aufweisen sollte. So trifft zum Beispiel eine gute Haptik und ansprechendes Design bei sichtbaren Kameras, wie es in der Mikroskopie der Fall ist, eher die Kundenbedürfnisse. Bei der verarbeiteten Hardware in der Kamera kommen viele nicht sichtbare Eigenschaften zum Tragen, die bei Vergleichen von verschiedenen Kameras mit gleichem Sensor beachtet werden sollten. Dies fängt bei dem eingesetzten FPGA an (FPGAS und zum Teil DSPs stellen den Kern für viele Kamera-Konzepte dar). Ein leistungsfähiges FPGA in Verbindung mit einer effizienten Firmware ermöglicht viele Firmware-Funktionen (vor allem Bildverbesserungen) in der Kamera, die nicht auf dem PC / Processing Board gerechnet werden müssen. Des Weiteren ist auch ein kamerainternes RAM von Vorteil, um Bilder zwischen zu speichern und die Datenstabilität damit zu erhöhen oder aber auch Features, wie einen Burst- Mode zu ermöglichen. Höhere Frameraten Neuere CMOS-Sensoren laufen mit deutlich höheren Frameraten als ältere CMOS-Sensoren oder CCD-Sensoren. Neben dem Performancegewinn führt dies aber auch zu einem höheren Stromverbrauch und damit erhöhter Wärmeentwicklung innerhalb der Kamera. Eine höhere Eigentemperatur der Kamera kann in verschiedenen Applikationen ein Problem darstellen oder sich negativ auf die Bildqualität auswirken. Wenn man nun Temperaturvergleiche zwischen Kameras durchführen will, sollte man unbedingt darauf achten, dass bei genau gleichen Bildraten und Bildqualitäten gemessen wird. Das Kameradesign spielt eine große Rolle in Bezug auf die Ableitung entstehender Wärme. Eine gute Wärmeableitung ist wichtig, damit sich durch erhöhte Temperatur nicht das Bildrauschen erhöht oder gar Bauteile geschädigt werden. Man erkennt Unterschiede im thermischen Design von Kameras bei Temperaturvergleichen zwischen Kamera- Kern und dem Außen-Gehäuse. Zusätzlich sollte die Kamera so (mit benachbarter Geometrie und Objektiv) montiert sein, wie später in der Anwendung. Weitere Informationen hierzu finden Sie auch in der Application Note „How to Monitor the Camera Housing Temperature of Basler ace USB3 and GigE Vision Cameras”. Eine Messung „auf dem Tisch“ eignet sich nicht, da sich so nicht die Wärmeflüsse wie in der Anwendung einstellen. Prüfung auf hilfreiche Firmware-Funktionen und Datenübertragungsstabilität Wesentliche Unterschiede zwischen Kameras mit dem gleichen Sensor resultieren auch aus der Firmware und der Software. Zum einen wäre hier die Standard-Kompatibilität mit GenI- Cam genannt („Ansprechen“ der Kamera) sowie die Kompatibilität mit den Interfacestandards wie GigEVision und USB3 Vision. Diese Standards definieren prinzipiell die Kommunikationswege und Schnittstellen. Standardkonformität sorgt für einen geringen Integrationsaufwand und garantiert eine gewisse Qualität in der Datenübertragung. Nichtsdestotrotz kann jede Kamera, trotz Stan- Bild 6: Kamera-Aufbau - Performance durch FPGA und RAM 54 meditronic-journal 2/2017

Sensoren Bild 7: Temperaturtest ohne Montage mit Wärmeabfuhr und Objektiv „auf dem Tisch“ Bild 8: Gleiche Messung mit Montage mit Wärmeabfuhr und Objektiv dard, unterschiedlich bezüglich der Leistungsfähigkeit der Firmware und der dazugehörigen Software sein. Eine ausgereifte Software- und Treiberumgebung für die Ansteuerung der Kameras und etablierte Programmierumgebung (inkl. Kompatibilitäten mit verschiedenen Betriebs system oder Programmiersprachen) kann nicht jeder Kamerahersteller bieten. Sie sind aber ein Muss für jedes größere Design-In. Beim Thema Datenstabilittät hilft zusätzlich eine Kamera- Firmware mit Frame Buffer enorm, gerade bei höheren Bandbreiten/ Frameraten. Zusätzlich zu dem Grundbedürfnis der Datenstabiltität gibt es eine ganze Menge standardisierter oder proprietäre Features, die die Performance des Vision Systems steigern können, manche holen aus ein und demselben Sensor ein deutlich besseres Ergebnis heraus. Im Folgenden stellen wir drei Beispiele anhand der Basler ace Kamera vor. Beispiel 1: Precision Time Protocol (PTP) mit neuem GigE Vision Standard Der neue GigE Vision 2.0-Standard bringt eine Funktion mit sich, die es ermöglicht über ein und dasselbe GigE-Kabel nahezu in Echtzeit die Kamera zu triggern (ohne separate Kabel für die üblichen Hardware I/Os). Dies geschieht über das PTP. Dieses Protokoll ermöglicht das Setzen von zeitgesteuerten Kommandos, die exakt zum gleichen Zeitpunkt ausgeführt werden. Der Versatz (und damit die Echtzeitfähigkeit) ist so gering, dass sie teilweise nah am Nanosekundenbereich liegt. Diese PTP-Funktion ist hilfreich für Anwendungen, die Objekte mit mehreren Kameras aus verschiedenen Perspektiven aufnehmen (Beispiel 3D-Vermessung) und deutliche Vorteile in Komplexität und Kosten für die Verkabelung damit haben. Beispiel 2: Sequencer Feature Die Sequencer-Funktion ist eine Funktion, die es ermöglicht, in sehr kurzer Zeit unterschiedliche Kamera-Einstellungen für die Bildaufnahme wirksam werden zu lassen. So können vorprogrammierte Bildsequenzen von der Kamera aufgenommen werden, die gerade bei schnellen CMOS-Sensoren mit sehr schnellen Wechseln der Bildeinstellungen ausgeführt werden. Mit der Belichtungszeit und dem Gain kann man so den Kontrast enorm erhöhen. Ein anderer Anwendungsfall wäre bei Farbkontrast und der Verwendung verschiedener Beleuchtungsfarbspektren. Zusammen mit dem Sequencer könnte man daraus die verschiedenen Farbinformationen gewinnen. Der Sequencer ist sehr hilfreich, wenn in kurzer Zeit verschiedene Eigenschaften des Objektes betont werden müssen. Beispiele könnten hier Verkehrs überwachungen, Glasinspektionssystem oder Laborautomationssysteme sein. Mit dem Sequencer könnten zum Beispiel in der Endapplikation mit der richtigen Software sehr einfach HDR- Bilder zusammengefügt werden. Beispiel 3: PGI Featureset PGI ist ein Featureset, das die volle Leistungsfähigkeit der FPGA- Kapazität der Kameras ausnutzt und nicht auf Kosten der CPU-Last des Vision System Rechners geht. PGI besteht aus vier wesentlichen Komponenten, die bei Farbkameras enorme Verbesserungen bringen: 5x5 Debayering für sehr gute Farbechtheit, Antialiasing um bei Linienverläufen Farbsäume zu verhindern, Sharpness zur Schärfeverbesserung sowie De-Noising, um das Rauschverhalten deutlich zu verbessern. Dies ist sehr hilfreich bei Applikationen, die eine gute Farbechtheit erfordern (Medizin), die genaue Konturen benötigen (Code- oder Number Plate Reading) oder bei denen Schärfe in Kombination mit Farberkennung eine große Rolle spielt (Bauteilerkennung und Platzierungsposition im Bereich Elektronikboardbestückung). Bild 11 am Schluss zeigt, welche Optimierungen durch PGI möglich sind: Preisunterschiede trotz gleichem Sensor Auch wenn ein und derselbe CMOS-Sensor zum Einsatz kommt, gibt es zwischen verschiedenen Kameras gewaltige Preisunterschiede. Der Preis der Kamera sollte im Verhältnis zu den Gesamtkosten des Vision- Systems passen: Die Statistik des Jahres 2015 sagt, dass der Anteil der Kamera an den Gesamtkosten (PC, Objektiv, Kabel und Beleuchtung) im Schnitt ca. 25% waren. Größere Kamera-Hersteller können durch ihre hohen Stückzahlen Einkaufspreise besser Bild 9: Echtzeitfähigkeit von GigE-Kameras mittels PTP meditronic-journal 2/2017 55

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