11-2014

Bildverarbeitung

Bildverarbeitung High-End Industrial Vision mit CMOS-Sensoren 8T-Pixel-Architektur ermöglicht Belichtung per Global Shutter Bild 1: Bildsensoren sind essentiell für einen breiten Bereich von digitalen Systemen und Produkten. Die Bilderfassung von realen Szenen und Fertigungsprozessen und ihre virtuelle Überlagerung mit Prozess-Informationen in visueller Gestalt wird zur Schlüsseltechnologie einer rasch wachsenden Zahl industrieller und Consumer-orientierten Anwendungen. Bildverarbeitung wird heute in intelligenten Transportsystemen ebenso eingesetzt wie in der Verkehrsüberwachung und -optimierung. Die Proliferation der industriellen Bildverarbeitung wird getrieben durch drastische Kostensenkungen. Nach wie vor dominieren Sicherheits- und Consumer-Anwendungen den Markt. Bilderfassung in unterschiedlichen Applikationen Die Bilderfassung und -analyse wird heute in einer breiten Vielfalt von Produkten und Systemen erwartet oder bereits eingesetzt. Allerdings gibt es keine Sensoren, die alle diese unterschiedlichen Bedingungen erfüllen können. Jede Bilderfassung benötigt optimal einen spezifischen Bildsensor, um die Autor: Wim Wuyts, Director Marketing & Sales bei CMOSIS, Antwerpen, Belgien gestellten Anforderungen zu erfüllen (Bild 1). Das gilt insbesondere für die industrielle Bildverarbeitung. Digitale Kameras für eng definierte und zertifizierte kommerzielle, industrielle oder administrative Einsätze erfordern sorgfältig ausgelegte oder ausgewählte Sensoren und die passende Auswertelogik. Sie müssen an die jeweilige Applikation adaptiert sein, um die geforderten Resultate in puncto Auflösung, Rauschverhalten, Geschwindigkeit, spektrale Empfindlichkeit, Robustheit, Lebensdauer und Preispunkt zu erfüllen. Ein Vergleich mit der natürlichen Sehfähigkeit von Tieren ist in dieser Hinsicht aufschlussreich: Raubvögel verlassen sich ebenso wie Schlangen oder Katzen auf ganz unterschiedliche Arten ihrer visuellen Ausstattung, was die spektrale Empfindlichkeit und die Auflösung betrifft. Sie haben sich im Laufe ihrer Evolution im Hinblick auf die spezifischen Gegebenheiten ihrer Umwelt und die Erfordernisse ihrer Überlebensstrategien entwickelt. CMOS Sensoren bieten Flexibilität Ganz ähnlich verhält es sich mit der Entwicklung von CMOS-Sensoren und Kameras für diverse Applikationen. CMOS-Sensoren haben neben ihrer guten Bildqualität den besonderen evolutionären Vorteil, dass sie sich sehr genau auf ihr spezifisches Einsatzgebiet abstimmen lassen. Außerdem können sie, wegen ihres Arbeitsprinzips, die Bilderfassung mit wichtigen analytischen Hilfsfunktionen Platz sparend auf demselben Chip integrieren und kombinieren. Dies gilt insbesondere für die On-chip- Bildverarbeitung mit hohem Dynamikbereich, korrelierter doppelter Abtastung zur besseren Rauschunterdrückung, Windowing für interessierende Bildbereiche und gezieltem Subsampling, schneller Analog-Digital-Wandlung und LVDS-Schnittstelle (low voltage differential signaling). Die Integration aller dieser Funktionen direkt auf dem Sensorchip führt zu wesentlich kompakterer Kamera-Auslegung, besserer Konnektivität und Systemkompatibilität, bei Einfachheit im Einsatz. Um diese breite Sensor- und Verarbeitungsfunktionalität vorteilhaft zu nutzen, hat CMOSIS ein Verfahren patentiert, das gewisse Fehlermechanismen, die auf der Stufe der Waferverarbeitung in die Sensorchips eingeführt werden, signifikant reduziert. Markt-Trends bei Sensoren Im industriellen Bereich besteht zunehmender Bedarf für hoch qualitative und zugleich robuste Systeme zur Bildverarbeitung. Die Anwender wollen außerdem in großem Umfang Daten zur weiteren statistischen Verarbeitung und Prozessoptimierung aus ihren Bilderfassungssystemen extrahieren: Im Allgemeinen soll dies mit der höchst möglichen Bildrate für jede spezifische Applikation realisiert werden. Die Durchsatzraten industrieller Bildverarbeitungssysteme haben sich in den letzten Jahren merklich erhöht – von früher 30 oder 60 Bilder pro Sekunde auf den derzeit aktuellen Bereich von 120 bis 240 fps. Sensoren und Kameras müssen im Stande sein, diese höheren Bildraten zu liefern. Nur so sind sie heute und in Zukunft für den Einsatz in der Fertigung und Inspektion geeignet. Im Hinblick auf die von ihnen erreichte Bildrate haben sich die CMOS-Kameras inzwischen so weit entwickelt, dass sie die Performanz der traditionellen CCD- Imager weit übertreffen. CMOSIS bietet einen ab Lager lieferbaren digitalen Bildsensor (CMV12000) mit 12 Megapixel Auflösung, der eine Bildrate von 300 fps bei voller Auflösung (10 bit pro Pixel) bietet. Noch höhere Bildraten sind in seinen Windowing- oder Sub sampling- Betriebsarten möglich. Derselbe signifikante Fortschritt der Daten von CMOS-Sensoren zeigt sich in der Pixelzahl, also in ihrer Auflösung. Die Bildauflösung hat sich von 0,3 MP (VGA) auf 2, 4, 8, 12, und 20 MP erhöht. Die höhere Auflösung ermöglicht es, dass eine Kamera ein großes Gesamtbild mit zahlreichen Details einfangen kann, die sich dann individuell analysieren lassen (Bild 2). Dies ist besonders wichtig in Applikationen wie dem Verkehrs-Management, in denen eine einzige hoch auflösende Kamera jetzt vier Fahrspuren gleichzeitig erfasst. Für Verkehrs- und Videostudio- Applikationen gilt heute eine Auflösung von 3,5 oder 4K (4.096 x 3.072 Pixel) als Standard. In Highend-Applikationen der industriellen Inspektion und Prozessüberwachung, etwa in der Fertigung von Flachbildschirmen, oder auch in der 88 PC & Industrie 11/2014

Bildverarbeitung Bild 2: Detailreiche Erfassung eines großen Bildfeldes. Luftraumüberwachung kann die Auflösung mehr als 20 MP erreichen. Der generelle Trend von CMOS- Sensoren weist also in die Richtung höherer Auflösungen für Kameras, vor allem von solchen mit optischem Verschluss im Global Shutter-Prinzip (Zentralverschluss). Es dürfte kaum mehr als ein Jahr dauern, bis solche Kameras mit Global Shutter und einer Auflösung von 40 bis 50 MP auf dem Markt verfügbar sind. In dieser Hinsicht – bei extrem hoher Auflösung - verteidigen die klassischen Bildsensoren mit Rolling Shutter (Schlitzverschluss) immer noch erfolgreich ihr Territorium. Sie bieten heute Pixelzahlen bis zu 70 MP (wie der CMOSIS-Typ CHR71M). Allerdings mit dem Nachteil, dass sie mit Rolling Shutter bei schnellen Bewegungen des Objekts zu optischen Verformungen führen. Aktuelle Forderungen an die Bilderfassung • Hohe Empfindlichkeit Dies gilt in Verbindung mit niedrigem Rauschpegel als die wichtigste Forderung industrieller Anwender. Hohe Empfindlichkeit liefert genügend Bilddaten bei kurzer Belichtungszeit. Niedrige Rauschwerte und hohe Empfindlichkeit erlauben den Betrieb bei schwachem Umgebungslicht, und zwar durch den Einsatz höherer Verstärkung. Hohe Empfindlichkeit im visuellen Spektrum sollte überdies auch mit höherer Empfindlichkeit im nahen Infrarot (NIR) gepaart sein. • Niedrige Kosten Minimale Systemkosten lassen sich am besten durch Produktion in hohen Stückzahlen erreichen. • Hohe Bildrate Höhere Frame-Raten ermöglichen die Belichtung mehrerer Aufnahmen desselben Objekts in schneller Sequenz, um dessen Bewegungen zu verfolgen und zu dokumentieren. Dies wird unterstützt durch eine spezielle Belichtungsund Verarbeitungstechnik: Während der Belichtung eines Einzelbildes wird das vorher aufgenommene Bild bereits ausgelesen. • Einfachheit im Einsatz Dies bezieht sich auf die Implementierung aller erforderlichen Verarbeitungsfunktionen unmittelbar auf dem Sensorchip, sowie die extern mögliche Programmierung der geeigneten Belichtungs- und Auslese- Modi über ein serielles peripheres Interface (SPI). • Keine Bildkorrektur Dies erübrigt kostspieliges Post- Processing der aufgenommenen Bilder. Auslesen der Bilddaten im RAW-Format liefert Bilder, die so rauscharm wie möglich sind. • Hohe Auflösung Erreichbar durch ein großes Bildfeld mit Aufzeichnung vieler Bilddetails. Global Shutter für CMOS-Sensoren Kleine Pixeldimensionen in Verbindung mit einem Verschluss im Global-Shutter-Prinzip sind ein wesentlicher Fortschritt, den die CMOS-Bildsensoren in den letzten Jahren verwirklicht haben. Die klassischen CCD-Bildsensoren mit Zwischenzeilenabtastung konnten Bild 3: Ausstattung mit Rolling Shutter stellt bewegte Objekte mit verschobenen Konturen dar, entsprechend ihrer Bewegungsrichtung und dem Zeitpunkt der partiellen Belichtung der einzelnen Zeilen. PC & Industrie 11/2014 89