Digitalkameras mit Schnittstellen wie Ethernet, USB2.0 und FireWire finden im Bereich der Industrieanwendungen von Kameras gerade rasche Verbreitung. OEMs (Original Equipment Manufacturers) und Endverbraucher suchen ständig nach Möglichkeiten, wie sie ihre Kosten senken und sowohl die Bildverarbeitungskomponenten als auch ihre Netzwerke vereinfachen können. Es gibt schnelle und komplexe Imaging-Anwendungen, die mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Kameraschnittstellen und Framegrabber erfordern. Für einen überraschend hohen Prozentsatz integrierter Vision-Systeme reichen jedoch ein Basic-Trigger und Bilderfassung aus. Ethernet-, USB2.0- und Fire- Wire-Kameras sind dafür ein einfaches und wirksames Mittel.

Die Ethernet-, USB2.0- und FireWire- Systeme unterscheiden sich in der Bandbreite und Benutzerfreundlichkeit, bieten aber alle die Möglichkeit, Verkabelung, Installation und Wartung zu vereinfachen. Da kein Framegrabber mehr benötigt wird, können bei jeder Kamerainstallation erhebliche Kosten eingespart werden. Denn die neuen digitalen Schnittstellen nutzen zur Datenerfassung und Bildanalyse in Echtzeit den Hauptrechner und dessen leistungsfähige Prozessoren.

Ethernet-IP-Kameras sind schon seit Jahren im Überwachungs- und Sicherheitsbereich im Einsatz. Ihre Funktionalität, Auflösung und Qualität wurde hierbei stetig verbessert. Neben diesem traditionellen Einsatzgebiet ist gegenwärtig ein neuer Trend zu beobachten, insbesondere in der wissenschaftlichen Forschung, Medizin und speziellen Imaging-Technik. Hierbei werden moderne Bildverarbeitungssysteme neben USB2.0 und FireWire auch mit Ethernet ausgestattet.

Der Vorteil liegt in der Möglichkeit der Fernsteuerung, wodurch eine Überwachung auch über das Internet erfolgen kann. Beispiele hierfür sind die Umwelt- und Klimaforschung, wo Fernüberwachungsstationen eingerichtet werden können, um Veränderungen in Umwelt, Witterungsbedingungen, Erosion oder gar wandernde geologische Phänomene (Gletscher, Eisfelder, Lavaströme usw.) zu überwachen. Der Ferneinsatz spezieller Imagesysteme mit hoher Auflösung in der Medizin, wo Aufnahmen mit hoher Auflösung zur sofortigen Diagnose oder Überwachung über weite Entfernungen hinweg übertragen werden müssen, ist ein weiteres typisches Beispiel.

Vorteile von Ethernet, USB2.0 und FireWire

Ethernet-Kameras werden immer beliebter für Lösungen, die eine Überwachung mit Fernkameras über kostengünstige Kabel erfordern. Sie machen sich die 100-m-Distanz zunutze, die CAT5- Kabel bieten. Netzwerkkameras sorgen für bessere Verarbeitung und Analyse innerhalb der Kamera, wodurch die Datenmenge, die über 10/100BaseT übertragen werden muss, reduziert wird. Mit nur 100 MBit/s gibt es hier möglicherweise einen Engpass für Inspektionssysteme, die mit höherer Geschwindigkeit arbeiten. Interne Kompression ist ein Mittel, die Datenmenge zu reduzieren, doch kann es sein, dass einige Anwendungen keine jpeg-Bildfehler, sog. Artefakte, tolerieren. Netzwerkkameras für Industrieanwendungen verfügen auch über einen Onboard-Framebuffer, der es ermöglicht, eine Reihe von Bildern nach Ereignissen zu speichern, die durch die Hard- oder Software ausgelöst wurden.

Die Einführung des GigabitEthernets ist die Antwort auf die bandbreitenmäßigen Einschränkungen. Es wird erwartet, dass 10/100BaseT-Kameraschnittstellen in Kürze durch 1000BaseT ersetzt werden. Die voraussichtliche Bandbreite von 800 MBit/s und längere Latenzzeit werden selbst Anwendungen mit höchster Geschwindigkeit gerecht.

USB2.0 hat den eindeutigen Vorteil, dass die meisten neuen PCs und Steuerrechner über einen eingebauten USB2.0-Port verfügen, was den Bedarf an einer Erweiterungskarte und COG reduziert. Es heißt, USB2.0 sei lediglich eine ‘Verbraucherschnittstelle’, was heute jedoch so nicht mehr stimmt. Zwar handelt es sich hierbei tatsächlich um eine übliche Schnittstelle für Verbraucherperipheriegeräte, doch so wie FireWire aus der Verbraucherwelt stammt, haben die Hersteller von Industriekameras auch hier Treiber hinzugefügt, die der Kamera die Funktionen und Geschwindigkeiten verleihen, die für Wissenschaft und die Industrielle Bildverarbeitung benötigt werden.

Was Leistung und Zuverlässigkeit anbelangt, gibt es zwischen FireWire- und USB2.0-Kameras kaum einen Unterschied. Beide sorgen für asynchrone Datenübertragung, was die Zustellung garantiert, und beide verfügen über den Isochronmodus, der für die Bandbreite und minimale Latenzzeit der Datenübertragung sorgt. Die meisten Imaging-Anwendungen in der Industrie brauchen nicht mehr als 30 oder 60 fps. Eine mit dieser Geschwindigkeit laufende 8-Bit-Kamera mit einer Auflösung von 640 x 480 benötigt eine Bandbreite von weniger als 10 bzw. 20 MB/s, was mit USB2.0 oder FireWire problemlos erreicht wird.

Eigenschaften der Smart-Kamera wie Thresholding, programmierbare Tabellen, Farbkonvertierung und andere integrierte Verarbeitungsalgorithmen sorgen bei diesen Digitalkameras dafür, die geringe CPU-Nutzung weiter zu minimieren.

Hauptgrund für die allgemeine Akzeptanz ist die Verknüpfungsmöglichkeit mit standardmäßigen Imaging-Anwendungen in der Industrie. Bei USB2.0 geschieht dies in der Regel durch Twain, Direct X oder Direct Show. USB2.0- Industriekameras sind im Vergleich zu FireWire mit IIDC DCAM als herkömmliches Schnittstellenprotokoll relativ neu. Maßgeschneiderte Treiber dienen ebenfalls üblicherweise als Bindeglied zwischen Hardware und Software. Da viele Rechner über mehrere USB2.0- und FireWire-Ports verfügen, sind mehrere Kameras und sogar synchronisierte Erfassung ohne Framegrabber möglich. Hinsichtlich der PCI-Bandbreite gibt es Einschränkungen, doch können neue PCs mehrere Kameras mit VGA-Auflösungen oder ein bis zwei Kameras, die Megapixel-Bilder in Echtzeit erfassen, verwalten.

Industrielle Fortschritte

Es ist offensichtlich, dass der technische Trend bei Industriekameras in Richtung Digitalkameras geht. Mit diesen Fortschritten im Bereich der Industriellen Bildverarbeitung kann der Marktnachfrage nach effizienterer Fertigung, höherer Qualität und geringeren Kosten entsprochen werden. Die benutzerfreundlichen USB2.0- und FireWire-Schnittstellen sind ein guter Ausgangspunkt für die Lösung von Imaging-Aufgaben bei OEMs, Integratoren und Endverbrauchern. Die Ethernet- Technik jedoch eröffnet darüber hinaus neue Anwendungsbereiche, indem sie nun Fernbetrieb ermöglicht, wo dies zuvor nicht realisierbar war.

FRAMOS vertritt Lumenera in Europa und bietet die gesamte Palette der Ethernet-Kameras der LE-Reihe von 1,45 bis 3,1 Megapixel an (Abb. 1). Diese Kameras bieten über eine standardmäßige 10/100BaseT-Netzwerkverbindung komprimierte MJpeg-Bilder in bewegten Videos und Standbildern. Die LE-Reihe ist über einen Standardinternetbrowser oder eine API-Schnittstelle komplett konfigurierbar. Abb. 2 zeigt eine Lumenera USB2.0-Kamera.

Es stehen verschiedene CCD- und CMOS-, Farb- und Monochrom- Sensortechniken mit höchster Lichtempfindlichkeit und erweiterter NIR-Möglichkeit zur Verfügung. Die Frameraten schwanken je nach Modell und Auflösung zwischen 10 und 100 fps. Die Kameras verfügen über Funktionen wie Alarm I/O, Bewegungsmeldung und DC-Iris. Sie haben ein robustes Aluminiumgehäuse und sind für Überwachungsaufgaben sowie wissenschaftliche, medizinische und Industrieanwendungen geeignet.

Julian Parfitt, MD, Framos Electronics Ltd., U.K. Kontakt Framos Electronic Vertriebs GmbH Tel. 089/710667-0 info@framos.de www.framos.de