Eine intelligente Kamera so klein wie ein Zuckerwürfel, jedoch mit einer Rechen-­Power eines Core2Duo und natürlich in modischem Schwarz gehalten... Klingt gut, aber so eine Kamera ist heute leider noch Wunschdenken. Wenn aber der Zuckerwürfel eher die Größe einer Zuckerpackung hat, kommt der Wunsch nach abgesetzten Kameraköpfen auf, die dann allerdings wieder möglichst klein und kompakt sein sollen, auch wenn sie noch nicht auf ­Zuckerwürfelgröße geschrumpft werden können. Der Rechen-Quader sitzt dann mehrere Meter weit weg von den Kamera-Würfeln und hat tatsächlich eine Doppelkern-CPU. Mit einem innovativen Kamerakonzept bietet Eltec nun eine flexible und skalierbare Bildverarbeitungslösung, die kaum noch Wünsche offen lässt.

Wie so oft, entstehen innovative Konzepte aus einer Herausforderung. In diesem Fall sollte Eltec einen Nachfolger für eine kleine intelligente Kamera bauen, die mit ihrer begrenzten Rechenleistung, hier in Form eines PowerPC mit 50 MHz, nicht mehr schnell genug war. Gesucht war eine intelligente Kamera, die mit einer höheren Performance den Datendurchsatz wesentlich steigert und gleichzeitig so klein ist, dass sie in ein Wetterschutzgehäuse passt. Abgestimmt auf die speziellen Anforderungen der Applikation sieht der Nachfolger nun jedoch völlig anders aus. Er hat bis zu zwei abgesetzte Kameras, nutzt ein innovatives Kabelkonzept zur digitalen Bildübertragung, und rechnet mit einer Geode-CPU auf einem ETX-Modul. Und trotzdem passt er noch in das Wetterschutzgehäuse.

CMOS für kompakte Aufbauten
Die Kameras sollten möglichst klein sein, damit auch zwei davon unmittelbar nebeneinander einsetzbar sind. Und sie sollten einen Full-Frame-Shutter haben, damit die ovalen Verzerrungen durch einen Rolling-Shutter nicht mehr stören. Hier bieten sich CMOS-Sensoren für kompakte Aufbauten an, da sie eine hohe Aus­leserate haben und bei hoher Auflösung relativ kostengünstig sind. Es gibt jedoch nur wenige mit dem gewünschten Verschluss, der ein ganzes Bild auf einen Impuls hin einfriert. Eltec ist jedoch fündig geworden, mit einem Sensor bei dem die Daten bereits in digitaler Form vom Sensor herunter kommen, wodurch die Umsetzung auf ein serielles LVDS-Format für die Übertragung einfach war. Durch geeignete Auswahl der Übertragungs­frequenzen können günstige Patchkabel für Gigabit-Ethernet verwendet werden. Diese Kabel können zwischen 20 cm und 15 m lang sein, was Aufbauten von kompakt bis zu verteilt leicht möglich macht. Die eingesetzten CMOS-Sensoren mit Wide-VGA-Auflösung und einer Frame-Rate von 50 Hz (non-interlaced) verfügen über einen Freeze-Frame-Shutter zur formgetreuen Aufnahme bewegter Objekte und ermöglichen die Übertragung per LVDS mit bis zu 700 Mbit/s pro Kanal. Für besondere Anforderungen, z. B. an ein reduziertes Rauschen, sind aber auch Implementierungen mit CCD-Sensoren möglich. Die Kameraköpfe mit den Sensoren sind klein und leicht.

Komplette Funktionalität eines PCs auf einer Karte
Alls Nächstes ging es darum, die Rechenleistung der CPU zu erhöhen. Auch bei 400 MHz Takt gibt es hier noch Stromsparwunder. Man entschied sich für ein ETX-Modul, das die komplette Funktionalität eines PCs auf einer Karte bietet. Sogar ein Grafikausgang ist vorhanden, um ein volles Betriebssystem mit grafischer Oberfläche nutzen zu können.
Die wesentlichen Spezifikationen des ETX-CPU Moduls sind eine Geode LX-800 CPU mit 500 MHz, ein Grafikcontroller im Chipsatz bis 1280 x 1024 (85 Hz),
ein PCI-Interface mit 32 Bit/33 MHz und 512 MB SO-DIMM Speicher on-board.
ETX- wie auch COM-Module sitzen auf Trägerkarten, die noch projektspezifische I/O tragen. In diesem Anwendungsfall war für den Bildeinzug ein Interface zwischen der digitalen Kameraschnittstelle und dem Hauptspeicher gefragt, der per DMA gefüllt wird. Ein FPGA führt diese Aufgabe leistungsfähig und flexibel aus. Alle Steuerungs-Ausgaben nutzen den Profibus, also einen Feldbus. Hier gibt es fertige Interfaces, die die oftmals heikle Echtzeit-Kommunikation beherrschen und die über Dual-Port-RAMs gut ansprechbar sind. Auf der Trägerkarte im Format 160 mm x 100 mm befindet sich die Stromversorgung mit nur einer Spannung 24 V/20 VA, Video-Eingänge über RJ45-Stecker, DMA-Controller und der Profibus Interface DP Slave.
Bleibt schließlich noch die Software. Die Wahl fiel auf Linux, das eine vollständige Entwicklungsumgebung (Eclipse) bietet. Für Linux wurden noch die Feldbus-Anpassung und der Bildeinzug portiert. Zum Einsatz kommt Debian-Linux mit Kern 2.6.24, das von der On-board Flash-Disk bootet, mit einem Speicherbedarf von 1 GByte.
Damit die Komponenten zur intelligenten Kamera werden, kommen sie noch in ein Wetterschutzgehäuse, in einem EMV-Gehäuse sitzen sie schon. Auch der verteilte Einsatz wurde erprobt: die LVDS-Strecke zwischen Kameras und Rechenkern kann auf bis zu 70 m verlängert werden.

Vielfältige Anwendungen
Wo kommt nun diese innovative Kameralösung zum Einsatz? In diesem konkreten Fall ging es um Erkennung von Containern in Echtzeit, was bei Video-Echtzeit 40 Millisekunden bedeutet. Aber das ist natürlich nur eine von vielen möglichen Implementierungen. Je nach Anwendung kann oder muss die Art der Kamera geändert werden: Neben CCD-Sensoren für rauscharme Aufnahmen sind CMOS-Sensoren mit sehr hoher Auflösung bis hin zu 5 Megapixeln und mit schneller Auslesung im Programm. Auch die ETX- und COM-Module können an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden, bis hin zu Doppelkern-CPUs mit über 2 GHz Takt. Und natürlich kann das Trägerboard, das ja sowieso schon projektspezifisch aufgebaut ist, mit anderen Feldbus-Interfaces ausgestattet werden. Auch die Zahl und Geschwindigkeit der Kamera-Interfaces kann modifiziert werden. Es gibt unzählige Möglichkeiten, abhängig von den speziellen Projekten, für die Eltec maßgeschneiderte Lösungen bietet.
Das innovative Kamera-Konzept ist modular aufgebaut und adressiert vielfältige Applikationen, von der Elektronikfertigung, Automatisierung und Prozesssteuerung über Transport- und Logistik-Aufgaben bis hin zu Sicherheits-Anwendungen. Die skalierbare Lösung kann bis zu 32 Kameras an einer Basis-Einheit verarbeiten. Über die industrietaugliche, kostengünstige Verkabelung mit Ethernet-Patchkabeln lässt sich die gesamte Anwendungsbreite moderner Embedded-Technologien nutzen. Die Basiskomponenten der innovativen Kamera­lösung sind:

• Kameraköpfe mit CCD- und CMOS-Sensoren
• COM Express- und ETX-CPU-Module
• Framegrabber mit bis zu 32 Kamera­anschlüssen
• Rechnerinterfaces mit FPGA-Technologie
• Applikationsbezogene I/O
• Linux-Software.

Die Steuerung der Kameras erfolgt unabhängig von der Pixel-Schnittstelle über eine störsichere RS-485-Verbindung. Das Pixel-Interface ist bei den Kameras und Framegrabbern komplett in FPGAs implementiert. Damit können mehrere Kabel flexibel parallelisiert werden. Durch die in den FPGAs implementierte Fehler­erkennung ist eine Überprüfung der Datenkonsistenz einfach durchführbar.
Das Übertragungsformat wurde so gewählt, dass bei reduzierten Verkabelungskosten maximale Übertragungsraten erreicht werden. Für die Verkabelung boten sich die kostengünstigen Patch-Kabel der Kategorie CAT 5e an, wie sie in großen Stückzahlen für Gigabit-Ethernet eingesetzt werden. Die Übertragung der Bilddaten erfolgt über eine LVDS-Schnittstelle.

Servertechnik mit hoher Bandbreite
Was von den Kameras übertragen wird, muss natürlich auch im Rechner verarbeitet werden können. Hier kommt ein Standard-PC mit seinen drei Erweiterungssteckplätzen schnell an seine Grenzen. Bei Kameras mit hoher Bildrate oder mehreren Kameras bietet hier die von Eltec genutzte Servertechnik mit ihrer hohen Bandbreite wesentliche Vorteile. Damit können bis zu 20 Kameras, die alle ihre Daten gleichzeitig übertragen, an ein System angeschlossen werden. Darüber hinaus werden auch Netzwerk-Interfaces für einen direkten Anschluss an Gigabit-Ethernet angeboten.