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Industrielle Automation 4/2017

Industrielle Automation 4/2017

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Peter Keppler, Director of Corporate Sales, Stemmer Imaging, Puchheim Embedded Vision Wie sich die klassische Rollenverteilung zwischen Kamera und Rechner verändert Embedded Vision Systeme kombinieren kompakte PCs und Kameras und eröffnen damit zahlreiche neue Anwendungsgebiete. Wir stellen Ihnen einen neuen GigE Vision Server vor, der genau in dieses Segment passt und die klassische Rollenverteilung zwischen Kamera und Rechner aufhebt. Unter Verwendung eines Standard-Softwaremoduls kann nun auch der Rechner als Bildquelle fungieren und Bilddaten über GigE Vision an andere Verarbeitungseinheiten schicken. Prinzipiell besteht jedes Bildverarbeitungssystem aus zwei grundlegenden Funktionseinheiten: Der Bildquelle und der Bildsenke. Als Bildquelle kommen im Umfeld der industriellen Bildverarbeitung heut zutage i.d.R. kompakte CMOS­ Kameras zum Einsatz. Die Bildsenke ist die Verarbeitungseinheit, die aus dem Bild Ergebnisse extrahiert. Dabei handelt es sich derzeit zumeist um klassische PC-Systeme auf Basis von Intel-Prozessoren und dem Betriebssystem Windows. Vom Bild zum Ergebnis Die Ethernet-Schnittstelle, zurzeit meist als Gigabit-Ethernet (1 GigE) aus geführt, bietet die Besonderheit des Anzeige „Full-Duplex“-Betriebes. Über diese Schnittstelle können im Gegensatz zu den erstgenannten Schnittstellen gleichinfo@falcon-illumination.de facekarten im Rechner erfordern wie CoaX­ Press, CameraLink oder auch CameraLink HS. Die Definition von Bildquelle und Bildsenke beschreibt bereits bildlich, dass die Übertragung der Bilddaten, also des substantiellen Datenvolumens – in der Regel unidirektional erfolgt. Dieser Tat sache tragen die genannten Kameraschnittstellen insofern Rechnung, dass die Übertragungsbandbreiten zwischen Quelle und Senke unsymmetrisch ausgelegt sind. Die meisten Applikationen im industriellen Umfeld kommen allerdings mit weniger anspruchsvollen Kameras aus, deren Daten raten eine Übertragung über gebräuchliche und in normalen PC-Systemen standardmäßig vorhandenen Standardschnittstellen erlauben. Beispiele dafür sind USB, Ethernet oder Firewire. GigE als Hardwareprotokoll – GenICam als Software-Interface +49 7132 99169-0 easy-Line Die Kommunikation zwischen Bildquelle und Bildsenke kann über verschiedene Schnittstellen stattfinden, die je nach Anforderungen an Kabellänge, Datenrate und Systemtopologie jeweils individuelle Vorteile bieten. Hochauflösende Kameras mit beeindruckenden Bildraten generieren ex treme Datenmengen, die nach optimierten Schnittstellen verlangen und somit spezielle Interzeitig und ohne gegenseitige Beeinflussung Daten mit voller Bandbreite empfangen und gesendet werden. Erst bei vollständiger Auslastung der Übertragungsbandbreiten in beide Richtungen kann die Übertragung des notwendigen Kontrollprotokolls (Heartbeat-Pakete) versagen, was zum Abbruch der Verbindung führt. Aber selbst diesem Effekt kann mit entsprechenden Einstellungen (Interpacket-Delay) entgegengewirkt werden. Die Ethernet- Schnittstelle erlaubt also die Auflösung der klassischen Rollenverteilung von Bildquelle (Kamera) und Bildsenke (Rechner) für die Bildverarbeitung. Mittlerweile haben sich fast alle Hersteller von industriellen Kameras mit GigE-Schnittstelle und industrieller Bildverarbeitungssoftware auf den GigE Vision-Standard als Hardwareprotokoll und GenICam als Software-Interface geeinigt. Durch die Verwendung dieser Hard- und Software standards besteht eine umfangreiche und umfassend getestete Kompatibilität zwischen etablierten Kameras und Software paketen auf den verschiedensten Rechnersystemen. Bemerkenswert ist, dass der GigE Vision- Standard als Hardwareprotokoll einschließlich GenICam als Software-Interface nicht auf die 1 GigE-Schnittstelle beschränkt ist. Alle beschriebenen Vorzüge kommen gleichermaßen auch beim Einsatz von Ethernet-Schnittstellen mit höheren Bandbreiten (z. B. 10 GigE) zum Tragen. Rechner fungiert als Bildquelle Mit dem CVB GigE Vision Server hat Stemmer Imaging durch die Ausnützung der beschriebenen Eigenschaften der Ethernet-Schnittstelle bei voller Unterstützung des GigE Vision-Standards und mit entsprechender Zertifizierung die klassische Rollenverteilung zwischen Kamera und 22 INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2017 Falcon-5.indd 1 15.02.2017 10:44:58

Rechner aufgehoben. Unter Verwendung des Standard-Softwaremoduls aus der Programmierbibliothek Common Vision Blox kann nun auch der Rechner als Bildquelle fungieren und Bilddaten dank der Full- Duplex-Übertragung der Ethernet-Schnittstelle über GigE Vision an andere Bildsenken schicken. Da es sich um eine vollständige GigE-Vision-Unterstützung handelt, verhält Breites Anwendungsspektrum Die bereits vorhandene Rechenleistung der verfügbaren SoC und die Vielfalt der unterstützten Schnittstellen sind beeindruckend. Durch mehrere USB3-, GigE- und Mipi- Schnittstellen bieten sich aktuelle SoC als dezentrale Bildverarbeitungssysteme zur Aufnahme verschiedenster Bildquellen an. Wir sind dabei, wenn aus Innovation Vorsprung entsteht. Die Grenzen zwischen Bildverarbeitung mit „intelligenten Kameras“ und „PC-basierter Bildverarbeitung“ verschwimmen zunehmend. sich diese Bildquelle exakt so, wie eine „normale“ GigE Vision- Kamera und bietet auch diesbezügliche Kommunikation – also Bildübertragungen – zu allen GigE Visionkompatiblen Bildsenken. System-On-Chip-Plattformen eröffnen neue Möglichkeiten Gerade im Zusammenspiel mit den aktuellen SoC-Plattformen (System-On-Chip) verschwimmen die bisher klaren Grenzen zwischen Bildverarbeitung mit „intelligenten Kameras“ und „PC-basierter Bildverarbeitung“. Nun können dezentrale, kompakte Embedded Systeme auf Basis von hochspezialisierten SoC (zum Beispiel Intel Cyclone V oder Nvidia Jetson TX1) sogar die Bilddaten von mehreren Kameras aufnehmen, vorverarbeiten und die generierten Ergebnisbilder wiederum als GigE Vision- Kamera ausgeben. Dabei kann die komplette Steuerung und Ergebnisübertragung vollkommen transparent über die GenICam- Funktionalität erfolgen und erfordert somit keine proprietäre Anpassung der folgenden Bildsenke. Zudem kann der GenICam- Standard wiederum seine Flexibilität ausspielen: Die Kamera teilt der Software selbst mit, welche speziellen Features von der Kamera zur Verfügung gestellt werden. Mögliche Anwendungsfälle reichen von der reinen lokalen Umsetzung einer USB- oder Mipi-Kamera auf den GigE Vision-Standard über die lokale Vorverarbeitung eines einzelnen Kamerabildes auf dem FPGA, z. B. des Intel Cyclone V und der Weitergabe des vorverarbeiteten Kamerabildes über GigE Vision bis hin zur Aufnahme mehrerer Kameras und der Weitergabe kompletter Ergebnisbilder nach rechenintensiver Vorverarbeitung auf der lokalen GPU eines Nvidia Jetson TX1 SoC. Auch dem Bau einer eigenen GigE Vision-kompatiblen Kamera unter der Verwendung des CVB GigE Vision Servers auf einem ARM-basierten SoC steht nichts im Wege. Lediglich ein CCD- oder CMOS-Sensor muss noch an das System ange bunden werden. Je länger man sich mit den Möglichkeiten des GigE-Vision-Servers auf SoC-Plattformen beschäftigt, umso mehr verschwimmen die bekannten Definitionen. Ob dieser lokale Bildverarbeitungsknoten des Gesamtsystems nun als „Rechner“, als „Kamera“, als „intelligente Kamera“ oder als „Vision Sensor“ bezeichnet wird, obliegt letztendlich dem Betrachter. Bilder: Fotolia, Stemmer Imaging www.stemmer-imaging.de Hohe Empfindlichkeit, hohe Geschwindigkeit und niedriger Dunkelstrom – unsere Avalanche- Photodioden sind speziell für Laser-Entfernungsmesser und Laser-Scanner optimiert. Flexibler Bild-Server auf Basis der GigE-Vision Technologie INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2017 23 www.first-sensor.com

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