Intelligente Kameras: Viel Funktion auf kleinem Raum

Seit einiger Zeit revolutioniert die Intelligente Kamera den Bereich der Industriellen Bildverarbeitung. So zählt diese Produktgruppe heute zum am schnellsten wachsenden Marktsegment. Da sich bei Intelligenten Kameras externe PCs zur Videodatenverarbeitung erübrigen, können nun robustere Versionen installiert werden, wie sie für industrielle Anwendungen erforderlich sind. Zusätzliche Aufgaben lassen sich implementieren. Die Vorverarbeitung der Bilder auf der Kamera reduziert das Datenvolumen, das in einem dezentralen System hin- und herbewegt werden muss, um ein Vielfaches. Früher waren Intelligente Kameras ein Modul mit Festfunktionen und nur für den Massenmarkt kommerziell nutzbar. Neueste Generationen mit einem verbesserten Konzept, nutzen eine offene Plattform und ermöglichen anwendungsspezifische Entwicklungen, die sich auf dem vollintegrierten, robusten und kompakten Kamerasystem verwirklichen lassen. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um einen Embedded-PC mit integrierter Kamera, der die genannten Anwendungen ausführt und selbst in der kleinsten Marktnische rentabel betrieben werden kann. Die neueste Generation intelligenter Kameras geht sogar noch weiter und bietet einen wesentlichen Wettbewerbsvorteil für die Anwender. Eine schnellere Datenverarbeitung, einfach anwendbare grafische Benutzeroberflächen (GUI), Farbbilder und eine schnellere Datenübertragung führen zu Verbesserungen gegenüber den Vorgängermodellen. Ständige Weiterentwicklung Zwischen den High-End- und Low-End-Modulen Intelligenter Kameras, die heute am Markt verfügbar sind, bestehen erhebliche Unterschiede. Das begründet sich zum Teil durch das schnelle Marktwachstum dieses Technologiesektors: Die Innovation schreitet schnell voran, und eine Fülle intelligenter Kameras kommt in immer kürzerer Zeit auf den Markt. Farbmodule und mehr Flexibilität finden in Intelligenten Kameras Einzug. So decken z.B. C-Mount- und CS-Mount-Objektive unterschiedliche Anwendungen ab. Anwender können auch die Funktion von immer mehr Eingängen und Ausgängen einfach regeln und festlegen, um so den Anforderungen genau zu entsprechen. Die wichtigste Weiterentwicklung ist, dass nun noch mehr Prozessorleistung zur Verfügung steht. Der Prozessor in Sonys neuestem Modell läuft mit 1GHz Taktfrequenz und bietet 512MByte Speicher. Das entspricht der dreifachen Verarbeitungsleistung des ersten Modells aus dem Jahr 2005, und die Weiterentwicklung zeigt eine steigende Tendenz. Im Jahr 2008 koppelte Sony die CPU mit einem offenen FPGA und ermöglichte somit eine Vorverarbeitung der Rohbilddaten in Echtzeit, ohne dabei die CPU zu belasten. Die CPU-Verarbeitungskapazität kann damit auf höhere Betriebsebenen umgeleitet werden, was eine schnellere Bildanalyse und eine geringere Stromaufnahme der Kamera ermöglicht. Der Bildsensor stellt nun 30 Bilder pro Sekunde bereit bei einer Auflösung von 1.280×960 Bildpunkten (SXGA-Auflösung). Im Gegensatz dazu konnten bei der vorherigen Generation Intelligenter Kameras (2005) nur fünf bis acht Bilder verarbeitet werden. Dieser Fortschritt erweitert das Anwendungsspektrum intelligenter Kameratechnologie im industriellen Bereich. Automatische Qualitätskontrolle Die zuverlässige und automatische Erkennung gefertigter Produkte, die außerhalb eines definierten Toleranzbereichs liegen – noch bevor sie das Werk verlassen – ist ein wesentlicher Vorteil der Intelligenten Kameras im Industriebereich. Ein Glashersteller aus Bayern liefert hier ein Beispiel: Die Fertigungslinie stellt Getränkeflaschen her; hohe Qualität ist daher unerlässlich. In der Linie arbeiten verschiedene Pressformen nebeneinander, und ein Bildverarbeitungssystem mit einer Intelligenten Kamera liest die einzelnen Codes, die auf jede Flasche gedruckt werden. Damit kann eine defekte Flasche bis auf die jeweilige Presse zurückverfolgt werden, was eine Reparatur der Presse ermöglicht. Ein weiteres Beispiel stammt von einem europaweit führenden Anbieter von Flüssiggas. Das in Istanbul beheimatete Unternehmen weist Lagerkapazitäten von etwa 170.000m3 auf und vertreibt Flüssiggasflaschen für Verbraucher. Aus Sicherheitsgründen müssen diese sehr robust sein. Um mögliche bauliche Mängel auszuschließen, nutzt das Unternehmen ein Qualitätskontrollsystem auf Basis einer Intelligenten Kamera, das über einen einfachen Algorithmus nach Rost und Dellen sucht. Teile-Identifikation mittels Barcode Intelligente Kameras ermöglichen das Lesen der nächsten Generation von Barcodes: zweidimensionale Matrix-Codes. Sie sind in der Fertigung weit verbreitet, und die neuen festinstallierten Scanner auf Basis Intelligenter Kameras finden sich immer häufiger. Der Autohersteller General Motors (GM) kündigte bereits an, dass er in Zukunft den Großteil der Kosten für Barcode-Lesegeräte in seinen Fertigungslinien einsparen will, indem kamerabasierte Systeme installiert werden, anstatt herkömmliche Laser-Scanner zu nutzen. Die neuen Systeme können dann lineare und 2D-Codes erkennen. Diese Einsatzmöglichkeit ist nicht nur auf General Motors beschränkt. Die Analysten bei Venture Development Corporation (VDC) sagen für kamerabasierte Lesegeräte ein Wachstum von 20% in Amerika voraus. Festmontierte Laser-Scanner erreichen dagegen nur eine Rate von 7%. Teile-Identifikation mit 3D-Messung Algorithmen zum Erkennen der Größe, Form und Farbe eines Objekts ermöglichen das einfache Sortieren industrieller Komponenten und gewährleisten somit, dass das richtige Bauteil für das richtige Produkt verwendet wird. Die Intelligente Kamera lässt sich mit einem zweiten Kameramodul koppeln, um eine 3D-Bildverarbeitung zu ermöglichen, die zu noch genaueren Ergebnissen führt. Ein schwedischer Reifenhersteller verwendet ein Smart-Kamera-/GigE-Modul, um eine 3D-Messanalyse durchzuführen. Das Unternehmen entwickelt eine Vielzahl von Komponenten für Anwendungen in Militärfahrzeugen, bei Achterbahnen oder in Einkaufswagen für Supermärkte. Viele Produkte unterscheiden sich dabei nur durch kleine Abweichungen in Sachen Tiefe, Durchmesser und Gewindetyp. Mit einem kalibrierten System mit Intelligenter Kamera konnten die Gesamtsystemkosten und die Größe verringert werden. Ein zusätzlicher PC erübrigte sich ebenfalls. Neue Anwendungen Da die Rechenleistung weiter zunimmt, sind der Fantasie bei der Entwicklung neuer Applikationen keine Grenzen gesetzt. Ein Bereich, der in naher Zukunft von der Funktion einer Intelligenten Kamera profitieren könnte, ist die Lebensmittelindustrie. Hier können z.B. automatisch Verunreinigungen und verdorbene Waren erkannt werden. Es gibt Algorithmen, die durch die Analyse von Daten, wie z.B. Farbe und Lichtstreuung, Veränderungen im äußeren Erscheinungsbild von sich zersetzenden Lebensmitteln interpretieren können. Diese Algorithmen verlangen derzeit eine enorme Rechenleistung. Allerdings verbessern sich die Rechenleistung von Intelligenten Kameras und die Analysemöglichkeiten sehr rasch, was bedeutet, dass diese Verfahren immer genauer werden. Hinzu kommt, dass Systeme mit Intelligenten Kameras grundsätzlich lüfterlos sind, d.h. sie können in sterilen Umgebungen zum Einsatz kommen, z.B. in der Lebensmittelindustrie. Technischer Fortschritt in Zukunft Die Technologie entwickelt sich immer weiter. Der Integrationsgrad intelligenter Kameras nimmt zu. Beispiele sind integrierte Zoom-Linsen oder integriertes Blitzlicht. Die kleine Größe, eine offene Plattform und immer größere Verarbeitungsgeschwindigkeiten sind entscheidend für den Erfolg Intelligenter Kameras. Hier liegt allerdings das Paradoxon vor, dass schnellere CPUs (>2GHz) Lüfter erfordern und dafür zusätzlicher Platz geschaffen werden müsste, um eine Überhitzung zu verhindern. Sie würde den Einsatz der Geräte in bestimmten Bereichen einschränken, z.B. in der Lebensmittelindustrie (sterile Umgebung) oder bei Messungen (Vibrationen vermeiden). Neue Prozessoren wie Intels Atom und AMDs Athlon werden darauf getrimmt, effizienter zu laufen, ohne dabei Verarbeitungsleistung zu verlieren. Dadurch entsteht weniger Wärme, was eine vorübergehende Lösung dieses Problems bietet. Die Integration eines FPGAs widmet sich ebenfalls diesem Problem, wobei mehr Funktionalität mit weniger CPU-Leistung zur Verfügung steht. Die Wärmeabstrahlung in einem lüfterlosen System muss auch in Zukunft beachtet werden, da sich die Datenverarbeitungsleistung weiter erhöhen wird.