Entdecken Sie Embedded Vision!

Embedded Vision ist in aller Munde. Auch Steve will mitmischen. Begleiten Sie ihn bei seinem ersten Embedded Vision-Projekt.

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Was ist Embedded Vision?

In den letzten Jahren hat ein Miniaturisierungstrend in vielen Bereichen der Elektronik stattgefunden. So sind beispielsweise ICs immer höher integriert und Leiterplatten der Elektroindustrie immer kleiner und leistungsfähiger geworden. Damit wurden auch PCs, Mobiltelefone und Kameras immer kompakter und ebenfalls leistungsfähiger. Auch in der Welt der Vision Technologie ist dieser Trend zu beobachten.

Ein klassisches Machine Vision System besteht aus einer Industriekamera und einem PC:
Beide waren noch vor wenigen Jahren deutlich größer. Doch innerhalb kurzer Zeit wurden PCs von immer geringerer Baugröße möglich, und mittlerweile gibt es Einplatinencomputer, also Computer die auf einem Board Platz finden. Auch die Kameraelektronik wurde immer kompakter und die Kameras in Folge immer kleiner. Auf dem Weg zu noch höherer Integration, werden heute kleine Kameras ohne Gehäuse angeboten, die sich gut in kompakte Systeme eindesignen lassen.

Durch diese zwei Entwicklungen, der Verkleinerung des PCs und der Kamera können heute Vision Systeme für neue Applikationen in einem kompakten Design entworfen werden. Ein solches Embedded Vision System nennt man Embedded (eingebettet) System.

Aufbau und Einsatz eines Embedded Vision Systems Aufbau und Einsatz eines Embedded Vision Systems

Ein Embedded Vision System besteht z.B. aus einer Kamera, einer sogenannten Boardlevel-Kamera, die an ein Processing Board angeschlossen wird. Processing Boards übernehmen die Aufgaben des PCs der klassischen Machine Vision-Welt. Da Processing Boards sehr viel günstiger sind, als klassische Industrie-PCs, können Vision-Systeme kleiner und ebenfalls kostengünstiger werden. Als Schnittstellen für Embedded Vision Systeme eignen sich vor allem USB oder Baslers BCON for LVDS.
Embedded Vision Systeme werden in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen und Geräten eingesetzt, zum Beispiel in der Medizintechnik, in Fahrzeugen, in der Industrie und in der Unterhaltungselektronik. Embedded Systeme erlauben es, neue Produkte zu realisieren und dadurch innovative Möglichkeiten in verschiedensten Bereichen zu schaffen.

Welche Embedded Systeme gibt es?

Als Embedded Systeme gibt es populäre Einplatinencomputer, engl. single-board computer (SBC), wie den Raspberry Pi®. Der Raspberry Pi® ist ein Mini-Computer mit bekannten Schnittstellen und bietet einen ähnlichen Leistungsumfang wie ein klassischer PC oder Laptop.
Embedded Vision Lösungen können aber auch mit sogenannten System-on-Modulen (engl. system on modules (SoM)) oder Computer-on-Modulen (engl. computer on modules CoM) umgesetzt werden. Diese Module stellen eine Recheneinheit dar. Für die Anpassung, z.B: die gewünschten Schnittstellen, an die jeweilige Applikation benötigt man ein sogenanntes individuelles Carrier Board. Dieses wird über bestimmte Konnektoren mit dem SoM verbunden und kann relativ einfach designt und hergestellt werden. Die SoMs oder CoMs sind einerseits günstig, da sie von der Stange erhältlich sind, andererseits sind sie - bzw. das Gesamtsystem - durch das Carrier Board aber auch gut individualisierbar.

Bei großen Stückzahlen sind vollkommen individuelle Processing Boards sinnvoll.
Alle Module, Einplatinencomputer und SoMs, basieren auf einem System-on-Chip (engl. system on chip (SoC)). Hierbei handelt es sich um ein Bauteil, auf dem Prozessor(en), Controller, Speicherbausteine, Power-Management und anderen Komponenten auf einem einzelnen Chip integriert sind.

Durch diese effizienten Bauteile, den SoCs, sind Embedded Vision Systeme erst in einer solch geringen Größe und zu niedrigen Kosten wie heute verfügbar geworden.

Besonderheiten von Embedded Vision System vs. Standard Vision System

Machine Vision Komponenten: Kamera, Kabel (GigE, USB), PC

Die meisten der erwähnten Einplatinencomputer und SoMs enthalten nicht die in Standard-PCs üblichen Prozessoren aus der x86-Familie. Vielmehr basieren dort die CPUs oft auf der ARM-Architektur.
Als Betriebssystem verbreitet ist in der Welt der ARM-Prozessoren das Open-Source-Betriebssystem Linux. Für Linux existiert eine große Menge an Open-Source-Anwendungsprogrammen, aber auch zahlreiche frei verfügbare Programmbibliotheken. Zunehmend finden aber auch x86-basierte Einplatinencomputer Verbreitung. Ein wichtiges Kriterium für den Rechner ist in jedem Fall der verfügbare Raum für das Embedded System.
Für den SW-Entwickler ist die Programmentwicklung für ein Embedded System anders als etwa für einen Standard-PC. Das Zielsystem bietet hier in der Regel keine komfortable Benutzerschnittstelle, die u.a. auch zum Programmieren genutzt werden können. Der SW-Entwickler muss sich, wenn vorhanden, über eine geeignete Schnittstelle (z. B. Netzwerk-Schnittstelle) mit dem Embedded System verbinden oder aber die SW auf dem Standard-PC entwickeln und dann auf das Zielsystem übertragen.

Bei der Entwicklung der SW ist zu beachten, dass das HW-Konzept des Embedded Systems auf eine bestimmte Anwendung ausgerichtet ist und sich dadurch deutlich vom universell verwendbaren PC unterscheidet.

Dennoch ist die Grenze zwischen Embedded und Desktop-Computer System teilweise schwer zu ziehen. Man denke nur an das Handy, das einerseits viele Merkmale eines Embedded Systems aufweist (ARM-basiert, Einplatinen-Aufbau), aber andererseits auch ganz unterschiedliche Aufgaben bewältigen kann und damit ein universeller Computer ist.

Was sind die Vorteile von Embedded Vision Systemen?

Im Einzelfall kommt es immer auch darauf an, wie das Embedded Vision System aufgebaut ist. Ein Einplatinencomputer ist oftmals eine gute Wahl, da man ein Standardprodukt verwendet. Es handelt sich um einen kleinen kompakten Computer, der leicht zu handhaben ist. Auch ist diese Lösung praktisch für Entwickler, die bisher wenig mit Embedded Vision zu tun hatten.

Andererseits handelt es sich beim Einplatinencomputer aber um ein System, das ungenutzte Komponenten enthält und dadurch im Allgemeinen nicht den schlanksten Systemaufbau erlaubt. Diese Lösung eignet sich für kleine bis mittlere Stückzahlen. Den schlanksten Aufbau erhält man durch ein angepasstes System. Hier muss man aber mit mehr Integrationsaufwand rechnen. Diese Lösung bietet sich folglich für hohe Stückzahlen an.
Die Vorteile von Embedded Vision Systemen auf einem Blick:

  • Schlanker Systemaufbau
  • Leichtgewichtig
  • Kostengünstig, da keine unnötige Hardware
  • Geringe Herstellkosten
  • Niedriger Energieverbrauch
  • Platzsparend

Welche Schnittstellen kommen für eine Embedded Vision-Anwendung in Frage?

Embedded Vision ist für viele Applikationen die Technologie der Wahl. Dementsprechend weitgefächert sind die Design-Anforderungen. Je nach Spezifikation bietet Basler eine Vielzahl an Kameras mit verschiedenen Sensoren, Auflösungen und Schnittstellen.

Die beiden Schnittstellen-Technologien, die Basler für Embedded Vision Systeme im Portfolio hat, sind:

  • USB3 Vision für eine leichte Integration und
  • Baslers BCON for LVDS für ein schlankes System-Design

Beide Technologien arbeiten mit dem gleichen Basler pylon SDK, das es erleichtert, von einer Schnittstellen-Technologie auf die andere zu wechseln.
USB3 Vision
USB 3.0 ist die passende Schnittstelle für eine einfache Plug-and-play-Kameraverbindung und ideal für Kameraverbindungen zu Einplatinencomputern. Mit dem Basler pylon SDK bekommen Sie innerhalb von Sekunden einfach Zugang zur Kamera (z.B. zu Bildern und Einstellungen), da USB 3.0-Kameras standardkonform und GenICam-kompatibel sind.

Vorteile
  • Einfache Verbindung zu Einplatinencomputern mit USB 2.0- oder USB 3.0-Verbindung
  • Felderprobte Lösungen mit Raspberry Pi®, NVIDIA Jetson TK1 und vielen anderen Systemen
  • Aber auch rentable Lösungen für SoMs mit dazugehörigen Basisplatinen
  • Stabiler Datentransfer mit einer Bandbreite von bis zu 350 MB/s
BCON for LVDS
BCON – Baslers eigens entwickelte LVDS-basierte Schnittstelle ermöglicht eine direkte Kameraverbindung mit Processing Boards und damit auch an On-Board-Logikbausteine wie FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) oder vergleichbare Komponenten. Dadurch kann ein schlanker System-Aufbau erreicht werden und Sie können von einer direkten Board-to-Board-Verbindung und Datentransfer profitieren.

Die Schnittstelle ist daher ideal für die Verbindung mit einem SoM auf einem Carrier / Adapter Board oder mit einer individuell entwickelten Prozessoreinheit.
Wenn Ihr System auf einem FPGA basiert, können Sie alle Vorteile der BCON-Schnittstelle nutzen.

BCON ist mit einem 28-poligen-ZIF-Anschlussstecker für Flachbandkabel ausgestattet. Es enthält eine 5V-Energieversorgung sowie LVDS-Leitungen zur Bilddatenübertragung und zum Triggern des Bildeinzugs. Sie können die Kamera über Leitungen konfigurieren, die mit dem I²C-Standard arbeiten.

Baslers pylon SDK ist auf die BCON for LVDS-Schnittstelle abgestimmt. Daher ist es einfach, Einstellungen, wie beispielsweise die Belichtungskontrolle, den Gain und die Bildeigenschaften, mithilfe Ihres Softwarecodes und pylons API zu ändern. Die Bildaufnahme der Applikation muss individuell implementiert werden, da sie von der eingesetzten Hardware abhängig ist.

Vorteile

  • Bildverarbeitung direkt auf der Kamera. Das bringt höchste Bildqualität, ohne die stark begrenzten Ressourcen des nachgeschalteten Processing Boards zu belasten.
  • Direkte Verbindung über LVDS-basierten Bilddatenaustausch an FPGA
  • Mit dem pylon SDK ist die Kamerakonfiguration über Standard I²C Bus ohne weitere Programmierung möglich. Die Kompatibilität mit dem GenICam-Standard ist dabei gegeben.
  • Das Bilddatensoftwareprotokoll ist offen und umfassend dokumentiert
  • Entwicklungs-Kit mit Referenzimplementierung vorhanden
  • Flexibles Flachbandkabel und kleiner Anschluss für Applikationen mit höchsten Platz-Beschränkungen.
  • Stabiler, zuverlässiger Datentransfer mit einer Bandbreite bis zu 252 MB/s

Wie kann ein Embedded Vision System entwickelt werden und wie kann die Kamera integriert werden?

Auch wenn es gerade für Entwickler, die noch nicht viel mit Embedded Vision zu tun hatten, ungewohnt ist, ein Embedded Vision System zu entwickeln, gibt es dafür viele  Möglichkeiten. Insbesondere der Umstieg von Standard Machine Vision System auf Embedded Vision System kann erleichtert werden. Basler bietet dazu neben seinem Embedded Produktportfolio viele Tools, die die Integration vereinfachen.
Erfahren Sie in unserem simpleshow Video, wie Sie ein Embedded Vision System entwickeln können und wie leicht es sein kann, eine Kamera zu integrieren.

Maschinelles Lernen in Embedded Vision Anwendungen

Embedded Vision Systeme haben oft die Aufgabe, von der Kamera aufgenommene Bilder zu klassifizieren: An einem Fließband zum Beispiel in runde und eckige Kekse. In der Vergangenheit steckten Softwareentwickler viel Zeit und Energie in die Entwicklung intelligenter Algorithmen, die das Ziel haben, einen Keks anhand seiner Eigenschaften (Features) in Sorte A (rund) oder B (eckig) zu unterteilen. In diesem Beispiel mag das noch relativ einfach klingen, doch je komplexer die Features eines Objekts, desto schwieriger wird es.

Algorithmen des maschinellen Lernens (z.B. Convolutional Neural Networks, CNNs) hingegen benötigen keine Features als Eingabe. Präsentiert man dem Algorithmus große Mengen an Bildern von runden und eckigen Keksen, zusammen mit der Information, welches Bild welche Sorte darstellt, lernt der Algorithmus automatisch, wie er die beiden Keksarten unterscheiden kann. Zeigt man dem Algorithmus dann ein neues, unbekanntes Bild, entscheidet er sich aufgrund seiner „Erfahrung“ der gesehenen Bilder für eine der beiden Sorten. Besonders schnell laufen die Algorithmen auf Graphical Processor Units (GPU’s) und FPGAs (Field Programmable Gate Arrays).

Welche Produkte liefert Basler für Embedded Vision?

Basler dart mit BCON for LVDS-Schnittstelle und Basler dart mit USB 3.0-Schnittstelle
Welche Kamera eignet sich für meine Embedded Vision Anwendung?
PowerPacks für Embedded Vision Anwendungen
Suchen Sie nach der richtigen Kamera zur Integration in Ihr Embedded Projekt? Basler vereinfacht diesen Prozess für Sie mit einem Plug-and-play Evaluation Kit für Baslers dart USB Kameras.
Erfahren Sie mehr über Baslers PowerPacks
Basler pylon Software für Embedded Vision Anwendungen
Mit der pylon Camera Software Suite stellt Basler sein bewährtes und nutzerfreundliches SDK auch für seine Embedded Vision Produkte zur Verfügung.
Komponenten für Embedded Vision
Ein Embedded Vision System besteht nicht nur aus Kamera und Processing Board. Für eine stabile Lösung benötigen Sie optimal auf die Kamera und die Anwendung abgestimmte Komponenten.

Sind noch Fragen offen geblieben?

Haben Sie Fragen zu unseren Embedded Vision Produkten? Wir helfen Ihnen gerne bei der Zusammenstellung eines Systems, das Ihren Anforderungen entspricht.
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