Echtzeitfähigkeit in der Bildverarbeitung
In der industriellen Robotik, der Qualitätskontrolle oder bei Hochgeschwindigkeitsprozessen entscheidet die Echtzeitfähigkeit eines Vision Systems über Effizienz und Prozessstabilität. Um stabile Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich zu erreichen, hilft ein deterministisches Gesamtsystem aus aufeinander abgestimmter, echtzeitfähiger Vision Hardware und Software.
Letzte Aktualisierung: 24.11.2025
Das Wichtigste zu Echtzeitfähigkeit
Echtzeitfähigkeit ist entscheidend für präzise, stabile und effiziente Bildverarbeitung in der Industrie.
Geringe Latenz sorgt für exakte Synchronisation und schnelle Reaktion bei Hochgeschwindigkeitsprozessen.
GigE eignet sich für flexible Anwendungen mit moderaten Latenzanforderungen und einfacher Integration.
CoaXPress (CXP) bietet extrem niedrige Latenz und hohe Bandbreite – ideal für Hochgeschwindigkeits- und Multi-Kamera-Anwendungen.
Die Wahl der passenden Schnittstelle und Vision Hardware ist maßgeblich für Prozesssicherheit und Qualität.
Kamera-Echtzeit-Übertragung: Der Schlüssel zu schnellen Entscheidungen
In modernen Automatisierungslösungen entscheiden oft Mikrosekunden. Reagiert ein Vision System nicht schnell genug oder arbeitet nicht präzise synchronisiert, entstehen Fehlsortierungen, Stillstände oder Produktionsfehler. Eine stabile, latenzarme Kamera-Echtzeit-Übertragung mit optimierter Datenübertragung ist daher die Voraussetzung für kürzeste Durchlaufzeiten bei maximaler Prozessstabilität.
Echtzeitfähigkeit: entscheidend für präzise Synchronisation und minimale Latenz
Ob in der Robotik, bei optischer Qualitätskontrolle oder in Hochgeschwindigkeitsanlagen – Echtzeitfähigkeit ist für die präzise Bildverarbeitung unverzichtbar.
Sie ermöglicht die
exakte zeitliche Abstimmung aller Systemkomponenten
von der Bildaufnahme über die Verarbeitung der Bilddaten bis zur Reaktion im Prozess.
Das sorgt für stabile, vorhersagbare Abläufe und ist entscheidend in Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit oder in Situationen, in denen die Kamera extern zusammen mit anderen Systemkomponenten getriggert werden muss. Die Anforderungen an die maximal zulässige Reaktionszeit zwischen Trigger-Signal und Bildaufnahme sind je nach Anwendung unterschiedlich und können von wenigen Mikrosekunden bis zu Sekunden betragen.
Anforderungen an die Latenz in Vision Anwendungen
In der industriellen Bildverarbeitung ist die Latenz ein entscheidender Faktor für die Prozesssicherheit und die Qualität der Ergebnisse. Die Latenz beschreibt die Zeit zwischen einer Anfrage und dem Empfang einer Reaktion, zum Beispiel zwischen dem Auslösen der Kamera und dem Eintreffen der Bilddaten zur Verarbeitung. Je nach Anwendung kann eine zu hohe Latenz zu fehlerhaften Inspektionen, verpassten Taktzeiten oder ungenauen Synchronisationen führen. Daher ist es wichtig, die Latenzanforderungen der jeweiligen Bildverarbeitungsaufgabe genau zu kennen und das System entsprechend auszuwählen.
Anwendungen mit tolerierbarer moderater Latenz
Bei manchen Anwendungen ist hingegen eine etwas höhere Latenz im Millisekundenbereich durchaus akzeptabel, ohne die Funktionalität oder Prozesssicherheit zu beeinträchtigen. In diesen Fällen steht nicht die unmittelbare Reaktion im Vordergrund, sondern die zuverlässige Erfassung und Auswertung der Bilddaten.
Beispiele hierfür sind:
Dokumentenerfassung und Archivierung
Langzeit-Analysen von Produktionsprozessen
Remote-Monitoring und Fernwartung
Sicherheits- und Überwachungskameras
In solchen Szenarien sind Latenzzeiten im Millisekundenbereich meist ausreichend und stellen keine Einschränkung dar.
Anwendungen mit extrem niedrigen Latenzanforderungen
Bei bestimmten industriellen Bildverarbeitungsanwendungen muss die Latenz im Mikrosekundenbereich liegen, um eine fehlerfreie und präzise Prozesssteuerung zu gewährleisten. Besonders in Hochgeschwindigkeits- und synchronisierten Abläufen kann selbst eine geringe Verzögerung zu Qualitätsverlusten oder Produktionsfehlern führen. Typische Beispiele sind:
Hochgeschwindigkeits-Inspektion auf Förderbändern
Pick-and-Place-Roboter mit Bildverarbeitung
Echtzeit-Qualitätskontrolle in der Fertigung
Synchronisierte Multi-Kamerasysteme für 3D-Messungen
Hier ist eine schnelle und deterministische Bildübertragung und -verarbeitung unerlässlich.
Die geeigneten Interfaces für Echtzeit-Anwendungen: GigE und CoaXPress (CXP)
GigE-Kameras bieten eine solide Lösung für Anwendungen mit moderaten Latenzanforderungen und geringeren Bandbreiten. Sie sind flexibel einsetzbar und unterstützen größere Kabellängen, eignen sich aber weniger für Echtzeitprozesse mit sehr niedrigen Latenzanforderungen.
CoaXPress (CXP) hingegen ermöglicht extrem niedrige Latenzen und hohe Datenraten, was sie ideal für anspruchsvolle Hochgeschwindigkeits- und Multi-Kamera-Anwendungen macht. Die Auswahl der Schnittstelle sollte daher immer anhand der spezifischen Latenzanforderungen und des gewünschten Durchsatzes erfolgen.
Kriterium | GigE (Gigabit Ethernet) | CoaXPress (CXP) |
Typische Latenz | Millisekundenbereich | Mikrosekundenbereich |
|---|---|---|
Bandbreite | Bis zu 1 Gbit/s (GigE), 10 Gbit/s (10GigE) | Bis zu 12,5 Gbit/s pro Kabel |
Kabellänge | Bis zu 100 m (Standard CAT-Kabel) | Bis zu 40 m (bei maximaler Bandbreite) |
Synchronisation | Eingeschränkt, abhängig vom Netzwerk | Sehr präzise, hardwarebasiert |
Multi-Kamera-Unterstützung * | Hohe Anzahl möglich, aber mit Netzwerk-Limitierungen | Begrenzte Anzahl, hohe Skalierbarkeit |
Systemkosten | Günstig, Standard-Hardware | Höher, CXP-Framegrabber nötig |
Typische Anwendungen | Überwachung, Dokumentenerfassung, Remote-Monitoring | Robotik, Ophthalmologie, Chirurgie, Hochgeschwindigkeitsinspektion, 3D-Messung, Echtzeit-Qualitätskontrolle |
Integration | Einfach, weit verbreitet | Komplexer, spezifische Komponenten erforderlich |
Geeignet für | Anwendungen mit tolerierbarer Latenz | Anwendungen mit extrem niedriger Latenz |
* Durch kaskadierbare Switches kann man bei GigE eine hohe Anzahl von Kameras in einem System verbauen, muss aber durch die Netzwerk-Limitierungen Abstriche bei der Echtzeitfähigkeit und Latenzen machen.
Bei CXP können Kameras sehr gut und genau gesteuert werden. Die 1:1 Anschlussbeziehung, die limitierten Kanäle auf dem Framegrabber und die wiederum limitierten PCIe Slots im PC machen eine Multi-Kameraanwendung sehr aufwändig und komplex.
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Die Herausforderungen der Echtzeitverarbeitung in der Machine Vision
Entscheidend für die Qualität der Aufnahme ist eine möglichst geringe Latenz, d. h. ein möglichst geringer Zeitverzug zwischen Empfang des Trigger-Signals und Bildeinzug. Außerdem darf dieser Zeitverzug nicht variieren, d.h. es darf hinsichtlich der Zeitpunkte der Bildaufnahmen kein Jitter, also keine zeitliche Schwankung, auftreten. Bei einer Anwendung mit hohen Bildraten (z. B. mit 300 Bildern pro Sekunde), bewegen sich die geforderten Latenzzeiten im Bereich von Mikrosekunden.
Latenz und Jitter
Die größte Herausforderung besteht darin, die Latenzzeiten so gering wie möglich zu halten. Gleichzeitig darf die zeitliche Schwankung (Jitter) nicht variieren. Hohe Latenzzeiten und Jitter können die Entscheidungsgenauigkeit und Prozessgeschwindigkeit erheblich beeinträchtigen.
Datenmengen und Bandbreite
Die großen Datenmengen, die in Echtzeit verarbeitet werden müssen, erfordern hohe Bandbreite und leistungsfähige Hardware. Eine ineffiziente Datenübertragung und -verarbeitung kann zu Systemengpässen und Verzögerungen führen.
Synchronisation
In Multi-Kamerasystemen kann jede Asynchronität der Kameras zu ungenauen Daten und Fehlern in der Bildanalyse führen. Eine präzise Steuerung und Synchronisation der Kamerasignale ist essenziell.
Verarbeitungsleistung
Die Echtzeitverarbeitung erfordert hohe Rechenleistung. Systeme müssen komplexe Bildverarbeitungsalgorithmen in Bruchteilen von Sekunden ausführen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Prozessoren und die gesamte Systemarchitektur.
Beispiel: Lagerautomatisierung – Navigation in Echtzeit
Autonome Fahrzeuge und mobile Roboter in der Lagerautomatisierung erfordern eine durchgängig hohe Echtzeitfähigkeit der eingesetzten Bildverarbeitungskomponenten. Nur wenn Sensordaten und Bildinformationen in Echtzeit ausgewertet werden, können Fahrzeuge ihre Umgebung zuverlässig erfassen, Hindernisse frühzeitig erkennen und Routen dynamisch anpassen. Diese schnelle und präzise Verarbeitung ist essenziell, um einen reibungslosen Warenfluss, kurze Zykluszeiten und maximale Produktivität im 24/7-Betrieb sicherzustellen. Echtzeitfähige Vision Systeme sind damit der Schlüssel für sichere, effiziente und flexible Automatisierungsprozesse in modernen Logistiklösungen.
Echtzeitfähigkeit ermöglicht die exakte zeitliche Abstimmung aller Systemkomponenten – von der Kamerabildaufnahme über die Verarbeitung bis zur Reaktion im Prozess. Das sorgt für stabile, vorhersagbare Abläufe und ist unverzichtbar in Anwendungen, bei denen jede Millisekunde zählt. Echtzeitfähigkeit ist entscheidend, weil sie eine präzise und wiederholgenaue Synchronisation zwischen Kamera, Datenverarbeitung und Aktorik ermöglicht. Nur so lassen sich zeitkritische Prozesse wie Sortierung, Positionierung oder Ausschleusen zuverlässig und stabil steuern.
Licht für präzise Synchronisation
In zeilenbasierten Vision Anwendungen, in der Robotik und der Medizintechnik sind extrem niedrige Latenzen unerlässlich. Gepulstes Licht muss exakt im Mikrosekundenbereich zur Bildaufnahme aktiviert werden, um maximale Belichtung und Effizienz zu sichern. Bei dynamischen Abläufen, etwa auf Fließbändern oder in der Ophthalmologie, hat jede Verzögerung direkte Auswirkungen: Das Objekt ist nicht an der gewünschten Position oder ein Laser kann nicht rechtzeitig abgeschaltet werden. Nur durch präzise Synchronisation und minimale Latenz bleibt die Prozesssicherheit in diesen anspruchsvollen Anwendungen gewährleistet.
Vision Hardware und Software für echtzeitfähige Bildverarbeitungssysteme
Aufeinander abgestimmte Basler Hardware- und Software-Produkte ergeben eine zuverlässige Lösung für die Echtzeit-Bildverarbeitung. Die Wahl zwischen GigE und CXP hängt von den individuellen Latenz-, Bandbreiten- und Synchronisationsanforderungen Ihrer Anwendung ab.
Echtzeitfähiges GigE-Vision System mit Basler Komponenten
Ein echtzeitfähiges GigE-Vision System von Basler basiert typischerweise auf folgenden Hardware- und Software-Komponenten:
Basler GigE-Kamera:
Industrietaugliche GigE-Kameras von Basler bieten hohe Bildqualität und unterstützen Bildraten bis zu mehreren Dutzend Bildern pro Sekunde. Sie verfügen über Trigger-Eingänge für ein zeitgenaues Auslösen und sind für den Dauerbetrieb ausgelegt.Standard-Netzwerk-Infrastruktur:
Die Verbindung erfolgt über handelsübliche CAT-Kabel und Gigabit-Ethernet-Switches. Dies ermöglicht flexible Kabellängen und eine einfache Integration in bestehende IT-Strukturen.Basler GigE-Schnittstellenkarten (optional):
Für anspruchsvollere Echtzeitanforderungen kann eine Basler PC-Karte eingesetzt werden, die die Bilddaten direkt und mit minimaler Latenz an das Host-System weiterleitet (ab Q1/2026).Basler pylon Software Suite:
Die pylon Software ermöglicht die Konfiguration, Steuerung und Auswertung der Kameras. Sie bietet eine einheitliche API für die Bildaufnahme, Triggersteuerung und Echtzeitdatenübertragung.VisualApplets (optional):
Für die FPGA-basierte Vorverarbeitung kann VisualApplets genutzt werden. Damit lassen sich Bildverarbeitungsfunktionen direkt auf den Basler GigE ace 2 Kameras ausführen und die CPU entlasten.
Beispielrechnung GigE-System
Arbeitet eine Kamera mit einer Bildrate von 20 Bildern pro Sekunde (fps), wird alle 50 ms ein Bild aufgenommen. Die Echtzeitverarbeitung bewegt sich somit im Millisekundenbereich.
Ein solches GigE-Vision System eignet sich für Anwendungen mit moderaten Latenzanforderungen, flexibler Infrastruktur und einfacher Skalierbarkeit. Typische Einsatzbereiche sind Produktionsüberwachung, Qualitätskontrolle und Dokumentenerfassung.
Echtzeitfähiges CoaXPress-Vision System mit Basler Komponenten
Ein echtzeitfähiges CoaXPress-System von Basler besteht meist aus folgenden Hardware- und Software-Komponenten:
Basler CXP-Kamera:
Hochleistungsfähige CXP-12-Kameras von Basler liefern Bilddaten mit extrem hoher Bandbreite und minimaler Latenz. Sie sind für anspruchsvolle Echtzeitanwendungen und hohe Bildraten konzipiert.Basler CXP-Framegrabber:
Der Framegrabber empfängt die CXP-Signale direkt, verarbeitet sie hardwarebasiert und leitet die Bilddaten mit Mikrosekunden-Latenz an das Host-System weiter. Er unterstützt die Synchronisation mehrerer Kameras und externer Signale.CXP-Kabel und Power-over-CXP:
Die Verbindung erfolgt über hochwertige Koaxialkabel, die Daten und Stromversorgung (Power over CoaXPress) kombinieren. Dies reduziert den Verkabelungsaufwand und erhöht die Zuverlässigkeit.Basler pylon Software Suite:
Auch hier kommt die pylon Software zum Einsatz. Sie ermöglicht die präzise Steuerung, Synchronisation und Echtzeit-Auswertung der CXP-Kameras und Framegrabber.VisualApplets:
Für die Echtzeit-Vorverarbeitung direkt auf dem Framegrabber ist VisualApplets optimal geeignet. So können komplexe Bildverarbeitungsalgorithmen ohne zusätzliche CPU-Belastung ausgeführt werden.
Beispielrechnung CXP-System
Im CXP-Bereich arbeiten Kameras mit höheren Bildwiederholraten von durchschnittlich 400 fps, sie liefern also alle 2,5 ms ein Bild. Die Echtzeitverarbeitung liegt damit im Mikrosekundenbereich. Es gibt häufig Verarbeitungen auf Zeilenbasis, nicht auf Bild- bzw. Frame-Basis.
Ausgehend von einem durchschnittlichen 9-MP-Sensor und einer quadratischen Bildauflösung von 3000 px * 3000 px, verarbeitet das CXP-System die Zeilen in 0,8 Mikrosekunden oder 833 Nanosekunden.
Dieses CXP-System ist ideal für synchronisierte Multi-Kamera-Setups, Hochgeschwindigkeitsinspektionen und Anwendungen, die extrem niedrige Latenz und maximale Datenraten erfordern.
Passende Basler Produkte
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Häufige Fragen zur Echtzeitfähigkeit
Was ist eine echtzeitfähige Kamera?
Eine Kamera, die Bilddaten mit minimaler Latenz überträgt und deterministisch über FPGA-basiertes Hardware-Timing getriggert werden kann.
Die aktuell schnellste Basler Zeilenkamera racer 2 L arbeitet mit einer Zeilenfrequenz von 200 kHZ, also einer Übertragung pro Zeile von 5 Mikrosekunden.
Welche Schnittstellen eignen sich für Kamera-Echtzeit-Übertragung?
CoaXPress und GigE mit optimierten Parametern (z. B. Packet Delay Control) sind leistungsfähige Interfaces für echtzeitfähige Industriekameras und Vision Systeme.
Wie verbessere ich die Echtzeitfähigkeit meines Systems?
Durch den Einsatz von FPGA-Verarbeitung (z. B. mit VisualApplets), schnellen Schnittstellen, pylon Software und genauer Synchronisation aller Komponenten.