Das Ende eines Dilemmas: Hohe Auflösung oder Bildrate?

Wer kennt das nicht? Auf dem Computermonitor baut sich einen Balken auf – aber so langsam, dass unsere Geduld auf eine harte Probe gestellt wird. Oder der Videostream wird unterbrochen, weil die Leitung nicht mit der Übertragung hinterherkommt. Große Datenmengen herunterzuladen, strapaziert nun mal die Bandbreite der Internetverbindung. Dabei fällt auf, dass die Übertragungsgeschwindigkeit nicht alle Wünsche erfüllt. Genau wie das heimische Internet hat jede Art der Datenübertragung ihre Grenzen – so auch in der industriellen Bildverarbeitung. Was die Größe des \’Downloads\‘ bestimmt, ergibt sich bei einer Kamera weitestgehend aus der Bildauflösung. Je höher die Auflösung, desto niedriger die mögliche Bildrate. Kompromisse machen: Auflösung oder Bildrate Für Entwickler von Bildverarbeitungssystemen bedeutet das: entweder hohe Präzision oder hohe Geschwindigkeit. Kompromisse müssen zwangsläufig in die eine oder andere Richtung gemacht werden. In den meisten industriellen Anwendungen liegt der Schwerpunkt aus Produktivitätsgründen auf der Geschwindigkeit: Schnell vorbeifahrende Objekte werden an der Fertigungslinie im hohen Takt geprüft. Dabei reicht eine niedrigere Auflösung meistens vollkommen aus, sodass die gängigen FireWire- oder GigE-Vision-Kameras nicht an ihre Grenzen kommen. So kann etwa eine AVT Pike Digitalkamera mit ihrer IEEE1394b-Schnittstelle (800MBit/s) gut 200 Bilder pro Sekunde in VGA-Auflösung übertragen. Es gibt allerdings anspruchsvollere Inspektionsaufgaben, bei denen eine hohe Auflösung notwendig ist – etwa wenn die Bildverarbeitungsaufgabe komplexer ist und eine höhere Detailtreue im Bild erfordert oder wenn mehrere Produkte gleichzeitig geprüft werden müssen. Zum Beispiel werden AVT Prosilica GE4900-Kameras mit 16Megapixeln Auflösung zur Verpackungskontrolle von Chemikalien eingesetzt: In einem Bild erfasst die Kamera einen offenen Karton voller Flaschen von oben, um Matrixcodes auf jedem einzelnen Verschluss zu lesen. Durch eine clevere Optimierung der Datenübertragung ist es Allied Vision Technologies gelungen, die nutzbare Bandbreite von seinen GigE-Vision-Kameras bei gleichbleibenden Standardkabeln von 100 auf 125MByte/s zu erhöhen. Doch selbst diese leistungsoptimierten Kameras verändern die Verhältnisse zwischen Auflösung und Bildrate nicht maßgeblich. Den großen Schritt in die nächste Liga schafft die AVT Prosilica GX Kameraschnittstelle. Diese Kameraserie ist mit einer doppelten Gigabit-Ethernet-Schnittstelle ausgestattet und liefert bis zu 240MBytes/s, was sie zu einer der schnellsten GigE-Kameras der Welt macht. Somit wird die Übertragung von hochauflösenden Bildern in vorher nie gesehenen Geschwindigkeiten möglich. Ein Vergleich mit der Prosilica GE, einer klassischen GigE-Vision-Kamera, macht es deutlich: Bei gleichem Sensor und gleicher Auflösung liefert die Prosilica GX aufgrund doppeltem Interface in etwa die doppelte Bildrate. 240MBit/s mithilfe der Link Aggregation Group Um eine Datenrate von 240MBytes/s zu erreichen, setzt die GX-Familie auf die sogenannte Link Aggregation Group (LAG), auch IEEE 802.3ad genannt. Diese Netzwerktechnologie ermöglicht es, mehrere Ethernet-Anschlüsse parallel einzusetzen, um die Datenrate über die Kapazität eines einzelnen Ports hinaus zu erweitern. Mit Link Aggregation kann gegenüber einer einzelnen Verbindung das Mehrfache an Daten übertragen werden. Diese Technik wird in der IT-Branche für Ethernet-Netzwerke schon seit Jahren eingesetzt. Es gibt eine Vielzahl von verfügbaren Switches und Interface-Karten am Markt, die den LAG-Standard unterstützen. Link Aggregation Group hat sich als eine clevere und kosteneffiziente Lösung bewährt, um die Bandbreite eines Netzwerks zu erhöhen und vor allem bei Bedarf schrittweise zu erweitern, ohne die ganze Hardware zu ersetzen. Die zwei Ethernet-Ports der Prosilica GX sind nach dem LAG-Standard konfiguriert. So kann die Kamera mit zwei parallelen Ethernet-Kabeln an den Systemcomputer angeschlossen werden. Hierzu ist PC-seitig lediglich eine Interface-Karte notwendig, die LAG unterstützt. Es können herkömmliche Standard-Cat-5e-Ethernet-Kabel verwendet werden. Der Computer erkennt die Kamera im Netzwerk, als ob sie nur mit einer einzigen Verbindung angeschlossen wäre, allerdings mit der doppelten Bandbreite (240MBytes/s). Auf Wunsch kann die Prosilica GX auch mit nur einem Kabel und der normalen Datenrate von 125MBytes/s betrieben werden. Egal ob mit einem oder zwei Kabeln: Die Kamera erscheint beim Host-Computer als ein einziges Gerät. Der Link Aggregation Group Standard ist völlig unabhängig von dem Datenübertragungsprotokoll. Deshalb ist die Prosilica GX trotz der verdoppelten Schnittstelle voll GigE-Vision-konform. Motorisierte Optiksteuerung und Video-Auto-Iris-Steuerung Die doppelte Schnittstelle ist nicht die einzige Innovation bei dieser Kamera. Mit der Prosilica GX führt Allied Vision Technologies zwei neue Funktionen in sein GigE-Kameraprogramm ein: die Video-Auto-Iris-Steuerung und die Motorlinsen-Steuerung. Die Motorlinsen-Steuerung ist in der GX-Hardware eingebaut, um Fokus, Iris und Zoom direkt bzw. über das AVT/Prosilica GigE Software Development Kit (SDK) ohne externe Zusatzkomponenten zu steuern. Darüber hinaus übernimmt die GX-Reihe alle intelligenten Kamerafunktionen der bekannten Prosilica GE-Familie – etwa externen Trigger, Sync I/O, RS232-Port, Binning-Modi, Offset-Kontrolle, nicht-flüchtigen Konfigurationsspeicher, Event-Recorder, Pre-Trigger-Recording, programmierbare Blitzfunktionen, Multicasting, konfigurierbaren IP-Adressen, 128MB Bildspeicher, Auto-Belichtung, Auto-Gain und Auto-Weißabgleich. Belichtungszeit und Gain sind ebenfalls enthalten. Alle Modelle der Prosilica GX sind mit einem Gehäuse ausgestattet, das mithilfe von Kühlrippen auf eine optimale Wärmeableitung hin entwickelt wurde. Mit diesem sogenannten Thermal Management Gehäuse kann die Kamera bei einer Raumtemperatur von bis zu 50°C betrieben werden. Hochauflösende Sensoren für anspruchsvolle Applikationen Die Prosilica GX richtet sich an anspruchsvolle Anwendungen, bei denen hochauflösende Bilder besonders schnell übertragen werden müssen. Deshalb ist sie mit Sensorauflösungen ab 1Megapixel aufwärts verfügbar: Fünf Modelle sind derzeit erhältlich: – Die schnelle GX1050 mit 1Megapixel Auf- lösung und 120 fps Bildrate; – Die 2Megapixel-Kamera GX1660 mit 2/3\“ optischem Format und 60fps; – Die 2Megapixel-Kamera GX1910, ebenfalls mit 60fps, allerdings mit Full HD-Auflösung; – Die GX2300 mit 4Megapixeln Auflösung und 32fps Bildrate; – Die GigE-Vision-Kamera mit der zur Zeit höchsten Auflösung der Welt, die GX3300 mit 8Megapixeln und 17fps. Alle Modelle der Prosilica GX-Reihe sind mit CCD Progressive Scan-Hochleistungssensoren der Kodak KAI Serie ausgestattet. Diese Sensoren (KAI-01050, KAI-02050, KAI-02150, KAI-04050 und KAI-08050) erzielen eine hohe Bildqualität und haben eine hohe Empfindlichkeit, elektronischen Shutter, niedriges Rauschen, Anti-Blooming und verbesserte Smear-Eigenschaften sowie eine schnelle Framerate. Der 14Bit-A/D-Wandler liefert Bilder für anspruchsvolle Anwendungen wie etwa schnelle industrielle Bildverarbeitung, Luft-und Raumfahrt, Verkehrsüberwachung, Sicherheit, OCR oder Robotik.