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Aktuelles aus der Bildverarbeitung

Industriekamera, Wärmebildkamera, Zeilenkamera, Digitalkamera, Mikroskop, Objektiv, CMOS

Rauscher10415Fachartikel

SPS IPC Drives Halle 4A, Stand 351

Innerhalb weniger Jahre sind die Absatzzahlen von konsumer-orientierten Kamerainterfaces GigE und USB3 Vision in der Bildverarbeitung explodiert, auch wenn USB3 hier aktuell noch am Beginn des Ramp-Up steht. Als logische Konsequenz sinkt auf den ersten Blick betrachtet die Verbreitung und Akzeptanz der klassischen, framegrabber-orientierten Bildverfassung. Dennoch stellt Matrox Imaging (Vertrieb Rauscher) jetzt eine neu entwickelte PCIe Framegrabber-Serie vor.


Natürlich gibt es aber nach wie vor einen signifikant großen Markt für Framegrabber. Besonders anspruchsvolle Anwendungen, die vor wenigen Jahren noch als unlösbar galten, sind häufig verbunden mit dem Anspruch an ein Maximum an Performance, Stabilität und Ansprechverhalten. Sie erfordern oft dedizierte Bildverarbeitungs- Hard- und Software.

Genau deshalb stellt Matrox Imaging eine neu entwickelte PCIe Framegrabber-Serie für die Interfaces Camera Link, Coaxpress und Camera Link HS vor. Doch wo liegen die Vorteile dieser Framegrabber und in welchen Märkten und Applikationen macht der Einsatz einer zusätzlichen Hardware-Komponente überhaupt noch Sinn?

Industrialisierung und Langzeitverfügbarkeit


In rauen Industrieumgebungen ist der Einsatz von konsumer-orientierten Interfaces nicht immer leicht: Beidseitig verschraubte Stecker, lange Kabelstrecken, industrielle Kabeldurchführungen, robuste Schirmung gegen EMV Einflüsse und speziell die Langzeitverfügbarkeit aller Komponenten wird häufig vorausgesetzt. GigE und USB3 Vision lösen zwar die meisten dieser Themen mehr oder weniger gut, speziell die Langzeitverfügbarkeit des Interfaces auf PC-Seite ist aber ein großes Problem. GigE und USB3 Chipsätze für PC-Interfaces wechseln schnell und oft ohne Ankündigung – eine Garantie zur Verfügbarkeit und gleichbleibender Performance und Kompatibilität ist nicht gegeben.

Anders bei Matrox Framegrabbern: Zugesichert wird eine Verfügbarkeit von mehr als 7 Jahren. Aktuell ist sogar ein Analog-Framegrabber von 1998 immer noch lieferbar. OEMs, die Maschinen mit langer Lebens- und Servicedauer in den Markt bringen, profitieren hier von der Langlebigkeit und dem umfassenden Lifecycle-Management von Matrox Imaging.

Wichtigste Kennzahl: Datenbandbreite


Der Faktor Datenbandbreite ist eine der wichtigsten Kennzahlen für jedes Interface: Die Sensortechnologie schreitet unaufhaltsam fort und Bilddaten werden immer nur größer durch die Zunahme von Pixel-Auflösung, Readout-Geschwindigkeit, Bittiefe und Anzahl der Farbkanäle (Stichwort: Multispektralkameras). In Punkto Transferleistung sind Framegrabber immer noch ungeschlagen: Camera Link, Coaxpress und Camera Link HS übertreffen die framegrabberlosen Schnittstellen bei weitem. Dies ist besonders interessant für Anwendungen, die auf Kameras mit der neuesten hochauflösenden, schnellen Sensorgeneration von Firmen wie On Semiconductor, Cmosis, e2v, Dalsa aufsetzen.

In Bereichen wie Semiconductor, Flat-Panel, Print wird schlichtweg eine riesige Menge an Bilddaten erzeugt und verarbeitet. Hierfür sind die Matrox Radient eV Boards konzipiert, die technische Basis ist für jedes Interface identisch: Mit leistungsfähigen FPGAs für Datenhandling, LUTs, Bayer-Konversion und Farbraum-Konvertierung, den 1bis 4 GB onboard-Speicher und dem superschnellen PCIe x8 Gen 2.0 Interface leisten sie bis zu 4 GB/s Datendurchsatz. Nur das Grabber-Frontend unterscheidet sich von Version zu Version:

  • Camera Link 2.0 zusammen mit dem Extended-Full 10 x 8 bit Mode bei vollen 85 MHz für 850 MB/s und speziell für Mehrkamerasysteme eine Quad-Base bzw. Dual-Full Version dann mit bis zu 1,7 GB/s.
  • Die Coaxpress Variante ist mit zwei bzw. vier BNC-Steckern für die unabhängigen CXP-6 Links ausgestattet. Bis zu vier Single-Link Kameras mit je 6,25 Gbps oder einer Kamera mit bis zu 25 Gbps über Link-Aggregation können angeschlossen werden.
  • Camera Link HS mit einem CX4 (Kupfer-)Anschluss für das Protokoll CLHS M-Protokoll mit 7 Daten- und einem Befehls-Kanal erlaubt den Transfer von 2,1 GB/s Bilddaten sowie allen Trigger- und I/O-Signalen über 15 m Kabel.


Realtime – wenn µs zählen


Rauscher20415Aber nicht nur der Gesamtdurchsatz ist entscheidend: In anderen Anwendungen liegt das Hauptaugenmerk darauf, die Bilddaten schnell und deterministisch zur Auswertung vorliegen zu haben: Beispielsweise ist bei AOI Systemen in der Elektronikproduktion die Framerate nicht konstant hoch. Es wird vielmehr eine Reihe von Bildern unter unterschiedlichen Lichtbedingungen möglichst schnell aufgenommen. Geschwindigkeit und Realtime sind besonders wichtig, da sofort im Anschluss die Mechanik die nächste Prüfposition anfährt. Bei mehreren tausend Prüfpositionen steigert eine schnelle, latenz- und jitterfreie Sequenzaufnahme den Gesamtdurchsatz des Inspektionsystems erheblich.

In der Bildverarbeitung ist Windows als Betriebssystem am weitesten verbreitet. In der schnellen, stabilen und jitterfreien Bilderfassung liegt damit eine große Herausforderung. Windows eignet sich nicht, Befehle im Millisekunden-Takt abzusenden (an Kamera oder Grabber) oder gar zu verarbeiten. Hier stören die vielen parallel laufenden Prozesse, die über den Windows Scheduler priorisiert werden und die unvorhergesehene Latenzen von bis zu 500 ms hervorrufen können.

Zwei Ansätze um dieses Hindernis zu überwinden bietet Matrox auf den Radient eV Boards: Zum einen gibt es einen speziellen Burst-Grab-Mode. Dieser onboard-Frameakkumulator startet mit dem Absenden eines Software-Befehls eine High-Speed Aufnahme - der Framegrabber sorgt ohne den Eingriff des Betriebssystems für das Aufsetzen der Grabs sowie das Queing und Umschalten der Bildspeicherbereiche. Damit lässt sich z.B. auf der Radient eV Coaxpress eine Aufnahmefrequenz von >50  kHz stabil und ohne Frameverlust erreichen.

Da auch in der anderen Richtung der Windows Scheduler eine zuverlässige, hochfrequente und latenzfreie Benachrichtigung für Ereignisse wie das Vorliegen neuer Bilddaten zur Verarbeitung verhindert, unterstützt Matrox auf allen Radient eV Framegrabbern die Windows Echtzeit Erweiterung RTX64 von Intervalzero. RTX64 ist eine SMP-Erweiterung (Symmetric Multi Processing) und transformiert Windows in ein RTOS Real-Time Operating System.

So läuft Bildaufnahme, Bildspeicherung und Bildverarbeitung unabhängig von Windows als eigenständiger Prozess auf einem eigenen Kern mit separatem Echtzeit-Scheduler. Die Bildverarbeitung ist damit zu 100 % unabhängig von Windows. Selbst die Bilddaten liegen nicht im Windows-Speicher sondern in einem von Windows unabhängigen, getrennten Speicher.

Durch die Entkopplung von Windows läuft die Bildverarbeitung so unter einem echten Realtime-Kern und garantiert deterministische Antwortzeiten bei höchsten Frequenzen. Da Matrox Imaging die RTX64 Umgebung für die neuen Radient eV Bords voll unterstützt, lassen sich auch unter dem bekannten Windows echte Realtime-Systeme mit einem Maximum an Determinismus aufbauen.
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