03.02.2012
Whitepaper

Notwendige Intelligenz

Wann ist der Einsatz einer Smart-Kamera sinnvoll?

Smart-Kameras bahnen sich ihren Weg in zahlreiche Bilderkennungs-Applikationen. Doch nicht immer sind sie klassischen Kameras vorzuziehen. Für welche Lösung sich der Anwender letztlich entscheidet, hängt neben den Kosten von weiteren zahlreichen Faktoren ab.

Bildverarbeitungssysteme bestehen normalerweise aus einem Sensor (Kamera), einer Verbindung zu einer Speicher- oder Verarbeitungseinheit (Verkabelung) sowie der Speicher- oder Verarbeitungseinheit (Computer oder PC) selbst. Eine erste Vorauswahl der Komponenten ist anhand der Datenrate der Kamera und der Rechenleistung für die jeweilige Anwendung möglich. Oftmals spielen auch die Kosten eine wichtige Rolle. Doch trotz der immer höheren Verarbeitungsleistung der PCs stellt sich ab und an die Frage, ob zusätzliche Intelligenz für das Bildverarbeitungssystem überhaupt notwendig ist.
Konventionelle Kameras ohne eigene Intelligenz verfügen über einen CCD- oder CMOS-Sensor, einen Treiber und eine Schnittstellenkarte, die die Daten zu einem externen Computer überträgt. Im Allgemeinen erreichen standardmäßige Schnittstellenkarten etwa 50˗100 MByte/s. Datenmengen darüber hinaus gehen entweder verloren oder können vom PC-Prozessor nicht verarbeitet werden. In diese Kategorie fallen damit alle gängigen PC-Schnittstellen wie USB 2.0, FireWire (1394a/b) und GigE. Bei höheren Datenraten wird ein Framegrabber benötigt. Dies gilt auch für neue Standards, wie USB 3.0 oder 10 GigE, oder bei mehreren Eingängen.

Eine konventionelle Kamera ist daher ausreichend wenn:

  • die I/O-Bandbreite des Computers höher ist als die Datenrate der Kamera,
  • die Videodatenrate geringer ist als die Bandbreite der PC-Schnittstelle (GigE bis 100 MB/s, FireWire bis 50 MB/s, USB bis 35 MB/s),
  • der Host-Computer über eine ausreichende Verarbeitungsbandbreite verfügt,
  • das Betriebssystem des Computers die benötigte CPU-Bandbreite gewährleistet,
  • die Hardware-Kosten für die Anwendung gerechtfertigt sind.

Smart-Kamera: Pro und Contra

Auch Smart-Kameras nutzen CCD-oder CMOS-Sensoren, enthalten aber zudem einen zusätzlichen Prozessor. Dadurch ist eine einfache Programmierung beispielsweise mit C oder C++, aber auch mit gängigen Bildverarbeitungspaketen möglich.

Letztere können in die Kamera integriert werden und beinhalten Bibliotheken wie MIL, Halcon oder Vision Blox. Dieser Ansatz beschränkt zwar die Datenrate der Kamera, doch reicht diese für die meisten Anwendungen noch aus. Eine weitere Steigerung der Rechenleistung lässt sich durch integrierte FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), ASSIL (Application Specific Silicon) oder weiteren Prozessoren in der Kamera erreichen. Die Verarbeitungsleistung kann so auf mehrere hundert GOPS (Giga Operations per Second) oder GFLOPS (Giga Floating Point Operations per Second) erhöht werden.
Da die Baugröße der Kamera meist beschränkt ist, bleibt nur wenig Platz für die Kamera-Elektronik. Der zusätzliche Prozessor in Smart-Kameras bewirkt eine erhöhte Wärmeentwicklung, die durch Kühlrippen am Gehäuse abgeführt wird. Zur Kühlung werden passive Lösungen bevorzugt, da beispielsweise Lüfter störende Vibrationen hervorrufen. Smart-Kameras bieten gegenüber konventionellen Kameras entscheidende Vorteile. Da die Bildverarbeitung direkt an der Datenquelle (Sensor) erfolgt, lässt sich die zum PC zu übertragende Datenmenge deutlich reduzieren. Dadurch sind kostengünstigere Verbindungen zwischen Kamera und PC möglich. Zudem ist eine Skalierung auf mehrere Smart-Kameras sehr einfach. Bei konventionellen Kameras gestaltet sich dies hingegen schwierig. Eine Smart-Kamera sollte eingesetzt werden, wenn die Datenrate der verwendeten Schnittstelle oder die Rechenleistung des Computers nicht ausreicht. Dennoch muss die Anwendung die höheren Kosten einer Smart-Kamera rechtfertigen.

Framegrabber: intelligentes Bindeglied

Ein Framegrabber enthält je eine Schnittstelle für Kamera und PC. Die meist verwendeten PCI- oder PCI-Express-Schnittstellen erlauben eine maximale Übertragungsrate von mehreren Gigabyte/s. Bei unterschiedlichen Datenraten von Kamera und PC wird zusätzlich ein Buffer (Framegrabber) benötigt. Da sich die Art der Kameraschnittstelle kaum mehr auf die Anschaffungskosten auswirkt, werden einfache Framegrabber nur noch selten eingesetzt, beispielsweise wenn eine Hochgeschwindigkeitskamera große Datenmengen auf Festplatte aufzeichnet.
Gängige Multicore-PCs erreichen eine Verarbeitungsleistung von bis zu einigen GigaOPS oder GigaFLOPS. Bei noch höheren Verarbeitungsleistungen wird ein Beschleuniger benötigt. Dieser lässt sich mit einem Framegrabber kombinieren, was dann als intelligenter Framegrabber oder Vision-Prozessor bezeichnet wird. Diese unterstützen in der Regel mehrere Kameraeingänge und verfügen über skalierbare Speicher und System-Schnittstellen. Ein intelligenter Framegrabber sollte dann eingesetzt werden, wenn beispielsweise die Verarbeitungsleistung des Computers nicht ausreicht oder wenn die Kombination von konventioneller Kamera plus Framegrabber kostengünstiger ist als eine Smart-Kamera.

Kosten als ausschlaggebender Faktor

Durch die Fortschritte im Bereich der Halbleiter- und Sensortechnologie werden sich Smart-Kameras aufgrund der geringeren Kosten künftig bei den meisten automatischen Bilderkennungs-Anwendungen durchsetzen. Eine Ausnahme bleibt der Low-End-Markt, wo es für normale Kameras nach wie vor eine Nische gibt. Da die Mehrzahl der rasch zunehmenden und immer anspruchsvolleren Bildverarbeitungsanwendungen eine immer höhere Rechenleistung benötigt, werden sowohl Smart-Kameras als auch intelligente Framegrabber am Markt weiterhin eine wichtige Rolle spielen.

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