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Karriere | Investoren

Kameraauswahl – Wie finde ich die richtige Kamera für mein Bildverarbeitungssystem?

Verloren im Dschungel der Optionen?

Stehen Sie vor der Aufgabe, ein Bildverarbeitungssystem zu konzipieren, finden Sie sich möglicherweise umgeben von einer verwirrenden Vielfalt von Optionen, inmitten einer schier undurchschaubaren Palette von Kameramodellen, relevanten Eigenschaften, hilfreichen Features und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten.

Was Sie jetzt brauchen, ist ein erfahrener Guide. Jemand, der Ihnen einen Pfad durch das Dickicht bahnt und Sie zielsicher zur Lichtung am Ende Ihres Entscheidungsweges zur passenden Kamera für Ihre Anwendung führt.

Begleiten Sie uns Schritt für Schritt durch alle relevanten Kriterien. Wir helfen Ihnen die richtigen Entscheidungen zu treffen, damit Sie genau die Kameraausstattung finden, die am besten zu den Anforderungen Ihres Systems passt.

Starten Sie mit einer fundierten Analyse. Stellen Sie sich zwei Fragen:

  • Was möchte ich mit der Kamera sehen?
  • Welche Eigenschaften muss meine Kamera besitzen, um mir genau das zu liefern?

Die Antworten darauf geben meist schon eine von zwei Richtungen vor:

Netzwerk- (IP) Kameras
Netzwerk- (IP) Kameras
Industrie- (MV) Kameras
Industrie- (MV) Kameras

Entscheidung Nr. 1: Netzwerk- oder Industriekamera?

Kameras für Bildverarbeitungssysteme sind entweder Industriekameras, auch Machine Vision Kameras genannt, oder Netzwerk- bzw. IP (Internet Protocol) Kameras.

Netzwerkkameras zeichnen Videos auf. Sie kommen häufig in klassischen Überwachungsanwendungen zum Einsatz, oft in Kombination mit Industriekameras. Einige ihrer typischen Eigenschaften:

  • Häufig umgeben von einem robusten Gehäuse zum Schutz vor Erschütterungen und Wettereinflüssen, und damit gleichermaßen geeignet für Innen- und Außenbereiche.
  • Eine Vielfalt an Funktionen, wie z.B. Tag/Nacht-Modus oder spezielle Infrarot-Filter, die dafür sorgen, dass die Kameras selbst unter schwierigen Licht- und Wetterbedingungen ausgezeichnete Bildqualität liefern.
  • Sie komprimieren die Aufnahmen. Dies reduziert die Datenmengen soweit, dass sie in der Kamera gespeichert werden können. Indem man sie an ein Netzwerk anschließt, kann theoretisch eine unbegrenzte Zahl von Nutzern auf die Daten zugreifen.

Industriekameras hingegen

  • schicken die Aufnahmen als unkomprimierte Rohdaten direkt an einen PC, der dieses relative hohe Datenvolumen verarbeitet. Der Vorteil: keinerlei Bildinformation geht verloren.
  • Industriekameras umfassen zwei Technologien: Flächen- und Zeilenkameras. Sie unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie Bilder aufnehmen. Das wiederum ist relevant für die BV-Anwendung.

Exkurs: Wie Flächen- und Zeilenkameras Bilder machen

Flächenkameras

  • sind mit einem rechteckigen Sensor ausgestattet, bestehend aus zahlreichen Zeilen von Pixeln, die alle zur exakt gleichen Zeit belichtet werden. Alle Bilddaten werden also gleichzeitig aufgenommen, und ebenso gleichzeitig weiter verarbeitet.
  • kommen typischerweise in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen, in Medizin und Biowissenschaften, im Verkehrs- und Transportwesen, oder in Sicherheits- und Überwachungsanwendungen zum Einsatz, oft als Ergänzung zu Netzwerkkameras.

Zeilenkameras

  • hingegen arbeiten mit einem Sensor, der aus nur 1, 2 oder 3 Pixelzeilen aufgebaut ist. Die Bilddaten werden Zeile für Zeile belichtet, und ebenso Zeile für Zeile wieder zu einem Bild zusammengesetzt und verarbeitet. Ob man eine Flächen- oder eine Zeilenkamera verwendet, hängt von der Art der Anwendung und deren Anforderungen ab.
  • werden eingesetzt, wenn Produkte und Güter geprüft werden, die auf Förderbändern transportiert werden, und das mit teils sehr hoher Geschwindigkeit. Typische Branchen umfassen Druck, Sortierung und Verpackung, Lebensmittelindustrie sowie alle Arten von Oberflächeninspektion.
Flächenkameras
Zeilenkameras

Netzwerkkameras

  • verwendet man häufig für Überwachungsaufgaben, von der Prozesssteuerung in Versandstraßen oder Packsystemen bis zur Gebäude- oder Verkehrsüberwachung.
  • werden zum Beispiel in Banken, Kasinos, Firmengeländen und öffentlichen Gebäuden, oder in Logistikzentren wie Häfen oder Frachtzentren verwendet.
Netzwerk Kamera

Entscheidung Nr. 2: Monochrom- oder Farbkamera?

Eine relative einfache Entscheidung, die sich daraus ableitet, was Sie mit Ihrer Anwendung sehen möchten. Brauchen Sie für die Auswertung der Ergebnisse ein Farbbild oder reicht auch Schwarz/Weiß? Ist Farbe nicht unbedingt nötig, empfiehlt sich eine Monochrom-(sprich S/W)-Kamera. Sie ist empfindlicher und liefert dadurch detailreichere Aufnahmen. Für manche Anwendungen kann auch eine Kombination von S/W- und Farbkameras sinnvoll sein: Viele Verkehrsanwendungen beispielsweise kombinieren beide Kameratypen, um die juristische Belastbarkeit der Aufnahmen zur Beweisführung je nach nationaler Gesetzeslage zu gewährleisten.

Bananen - Entscheidung Nr. 2: Monochrom- oder Farbkamera?

Entscheidung Nr. 3: Sensortypen, Shutter Techniken, Bildraten

Frosch - Entscheidung Nr. 3: Sensortypen, Shutter Techniken, Bildraten

In diesem Schritt geht es um die Wahl eines passenden Sensors - CCD oder CMOS - und um die Wahl der Verschlusstechnik - Global oder Rolling Shutter. Die nächste Überlegung gilt der Bildrate, also der Anzahl der Bilder, die eine Kamera pro Sekunde liefern muss, um ihre Aufgabe lückenlos zu erfüllen.

Sensortypen

Exkurs: CCD oder CMOS?

Der fundamentale Unterschied zwischen den beiden Sensortechnologien liegt in ihrem technischen Aufbau.

CMOS-Sensoren integrieren die Elektronik, um das Licht (oder genauer: die Photonen) in elektronische Signale (also Elektronen) umzuwandeln, direkt auf der Sensorfläche. Das macht diese Sensoren besonders schnell, da sie die Bilddaten schneller auslesen. Der Bildausschnitt lässt sich flexibel auswählen. CMOS-Sensoren kommen besonders häufig im Kamera-Massenmarkt zum Einsatz, so zum Beispiel in Spiegelreflexkameras.

CCD-Sensoren nutzen die gesamte Sensorfläche, um Licht aufzunehmen, ohne dass die Elektronik darauf Platz in Anspruch nimmt. Das lässt auf der Oberfläche mehr Raum für Pixel, was wiederum bedeutet, dass mehr Licht aufgenommen werden kann. Dieser Typ von Sensoren ist demzufolge ausgesprochen lichtempfindlich – ein großer Vorteil in Anwendungen mit schlechten Lichtverhältnissen, wie zum Beispiel in der Astronomie. CCD-Sensoren liefern ausgezeichnete Bildqualität in langsameren Anwendungen, da sie aufgrund ihrer Architektur und der Art und Weise, wie sie Bilddaten transportieren und verarbeiten, im Hinblick auf Geschwindigkeit zunehmend an ihre Grenzen stoßen.

Im Laufe der vergangenen Jahre hat die CMOS-Technologie immense Fortschritte gemacht, sodass sie mittlerweile für nahezu alle Anwendungen infrage kommt. CMOS-Sensoren bieten

  • ein starkes Preis-Leistungs-Verhältnis
  • hohe Bildraten
  • hohe Auflösung
  • niedrigen Stromverbrauch
  • hohe Quanteneffizienz

Mit diesen Eigenschaften haben sie mittlerweile auch in traditionellen CCD-Anwendungen erfolgreich Fuß gefasst. Einer der größten Vorteile moderner CMO-Sensoren ist ihre ausgezeichnete Bildqualität auch bei hohen Bildraten.

CMOS-Flächensensor und CCD-Sensor
CMOS-Flächensensor und CCD-Sensor

Verschlusstechniken: Global oder Rolling Shutter

Verschlusstechniken: Global oder Rolling Shutter

Hier muss eine einfache, aber ausgesprochen wichtige Anforderung erfüllt sein: Die Verschlusstechnik muss zur Anwendung passen. Der Verschluss schützt den Sensor in der Kamera vor einfallendem Licht. Er öffnet exakt zum Zeitpunkt der Belichtung. Die gewählte Belichtungszeit sorgt dafür, dass genau die richtige „Dosis“ Licht eindringen kann. Sie steuert, wie lange genau der Verschluss dafür geöffnet bleiben muss. Der Unterschied zwischen einem Global Shutter und einem Rolling Shutter liegt in der Art und Weise, wie sie diese Belichtung verarbeiten.

Exkurs: Wie Global und Rolling Shutter arbeiten

Global Shutter

Der Global Shutter öffnet so, dass Licht gleichzeitig auf die gesamte Sensorfläche fällt. Je nach Bildrate wird ein bewegtes Objekt oft in schneller Abfolge belichtet. Das macht den Global Shutter zur passenden Verschlusstechnik für Anwendungen, in denen Objekte erfasst werden müssen, die sich sehr schnell bewegen, wie z.B. in Verkehrs- und Transportanwendungen, in der Logistik oder bei der Druckinspektion.

Rolling-Shutter

Der Rolling Shutter belichtet ein Bild Zeile für Zeile. Je nach gewählter Belichtungszeit kann dies Verzerrungen zur Folge haben, die dadurch entstehen, dass sich das Objekt während der Belichtung weiterbewegt – der sogenannte Rolling Shutter-Effekt. Trotzdem muss man auch bei bewegten Anwendungen die Option des Rolling Shutters nicht grundsätzlich verwerfen. Oft lässt sich der Effekt mithilfe angepasster Belichtungszeiten und Einsatz von Blitzlicht umschiffen.

Global Shutter, Rolling Shutter – Funktionsweise und Merkmale zweier Verschlusstechniken
Global Shutter, Rolling Shutter – Funktionsweise und Merkmale zweier Verschlusstechniken
Beim Rolling Shutter beginnt und endet die Belichtungszeit nicht simultan, sondern nach Zeilen abgestuft: Die Grafik zeigt die gestaffelte Belichtung der einzelnen Zeilen im Bild.

Bildrate

Der Begriff wird synonym verwendet mit „Bildwiederholrate”, „Bild pro Sekunde”, bzw. „frames per second (fps)“ oder „Zeilenrate” bei Zeilenkamera-Anwendungen. Die Bildrate beschreibt die Anzahl der Bilder, die der Sensor pro Sekunde aufnehmen und verarbeiten kann.

Je höher die Bildrate, desto schneller ist der Sensor =>
je schneller der Sensor, desto mehr Bilder pro Sekunde =>
je mehr Bilder pro Sekunde, desto höher das Datenvolumen.

Druckinspektion
Für schnelle Anwendungen wie zum Beispiel in der Druckinspektion, wo Zeitungen mit hohem Tempo an den Inspektionskameras vorbeilaufen, müssen die Kameras innerhalb von Millisekunden aufnehmen.
Medizinische oder industrielle Mikroskopie
Andere Anwendungen, wie zum Beispiel medizinische oder industrielle Mikroskopie hingegen arbeiten typischerweise mit niedrigen Bildraten.
Basler Flächenkameras Bei Flächenkameras können diese Datenmengen je nach Schnittstelle und je nachdem ob eine niedrige Bildrate von 10 fps oder eine hohe (bzw. schnelle) Bildrate von 340 fps verwendet wird, stark variieren. Welche Bildrate möglich oder notwendig ist, hängt davon ab, was die Kameras im betreffenden Bildverarbeitungssystem abbilden müssen.

Entscheidung Nr. 4: Auflösung, Sensor und Pixel

Auflösung

Auflösung

In den Spezifikationen Ihrer Kamera lesen Sie “2048 x 1088”. Was bedeutet das? Diese Angabe beschreibt die Anzahl der Pixel pro Zeile, in diesem Fall 2048 Pixel in den horizontalen und 1088 Pixel in den vertikalen Zeilen. Multipliziert ergibt das eine Auflösung von 2.228.224 Pixel oder 2,2 Megapixel (Millionen Pixel, kurz “MP”).

Um herauszufinden, welche Auflösung Sie für Ihre Anwendung benötigen, hilft eine einfache Rechnung:
Auflösung = (Objektgröße) / (Größe des zu prüfenden Details)

Exkurs: Wie bestimmt man die nötige Auflösung?

Nehmen wir an, Sie möchten eine präzise Detailaufnahme der Augenfarbe einer etwa 2 m großen Person in einer bestimmten Entfernung machen:

Auflösung = Körpergröße/Augen-Detail = 2m/1mm = 2,000 pxl in x and y = 4mp

Um das 1 mm große Detail präzise abzubilden, benötigen Sie eine Auflösung von mindestens 4 MP.

Exkurs: Wie bestimmt man die nötige Auflösung?

Sensor und Pixelgröße

Fakt #1:
Große Sensor- und Pixelflächen können mehr Licht aufnehmen. Das Licht ist für den Sensor das Signal, das er in Bilddaten umwandelt. So weit, so einfach. Jetzt wird’s spannend: Je größer die Sensoroberfläche ist, desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR – Signal-to-Noise-Ratio), insbesondere für Pixel mit einer Größe von 3,5 µm oder mehr. Ein höheres SNR bedeutet gleichzeitig bessere Bildqualität. Ein SNR von 42 dB gilt als solides Ergebnis.

Fakt #2:
Ein großer Sensor bietet mehr Platz für Pixel, was gleichzeitig eine höhere Auflösung bedeutet. Der echte Vorteil dabei ist, dass die einzelnen Pixel immer noch groß genug sind für ein gutes SNR – im Gegensatz zu kleineren Sensoren, bei denen sich die kleinere Oberfläche auch auf kleinere Pixel beschränken muss.

Fakt #3:
Selbst große Sensoren mit einer hohen Pixelanzahl bringen nicht viel ohne das passende Objektiv. Sie können ihr volles Potenzial nur ausschöpfen, wenn auch das Objektiv, mit dem sie kombiniert werden, diese hohe Auflösung auch tatsächlich auflösen kann.

Fakt #4:
Große Sensoren sind immer auch kostspieliger, weil mehr Fläche gleichzeitig auch mehr Silizium enthält.

Entscheidung Nr. 5: Schnittstellen und Gehäusegrößen

Schnittstelle

Kameraschnittstelle

Die Schnittstelle ist sozusagen das Bindeglied zwischen Kamera und PC, das die Bilddaten von der Hardware (dem Kamerasensor) zur Software (den Bildverarbeitungskomponenten) überträgt. Die beste Schnittstelle für Ihre Anwendung zu wählen bedeutet, die optimale Balance zwischen Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit zu finden, indem man eine Reihe von Faktoren gegeneinander abwägt.

Die Wahl zwischen Camera Link, GigE oder USB 3.0
Abhängig davon, was Ihre Anwendung erfordert, haben Sie die Wahl zwischen Camera Link, GigE oder USB 3.0, um die beste Kombination an Eigenschaften zu finden, damit Sie Ihre Bilddaten schnell, sicher und störungsfrei von der Kamera an den PC übertragen können.

Exkurs: Schnittstellentechnologien und -standards

USB vision, GigE Vision, Camera Link

GigE Vision, USB3 Vision und Camera Link sind moderne, weithin gebräuchliche Technologiestandards, welche die Kompatibilität der Kameraschnittstelle mit standardkonformen Komponenten und Zubehör ermöglichen. Jede dieser Technologien erfüllt spezifische Anforderungen unter anderem hinsichtlich Bandbreite, Multikamera-Konfigurationen oder Kabellängen.

FireWire und USB 2.0 sind ältere Technologien, die sich aufgrund ihrer technischen Beschränkungen nicht mehr uneingeschränkt für den Einsatz in modernen Bildverarbeitungssystemen empfehlen.

Vergleich der Schnittstellen
Vergleich der Schnittstellen

Sind Sie unsicher, welche Schnittstellen-Technologie Ihre Anforderungen am besten erfüllt?

Lassen Sie sich von unserem Interface Advisor bei Ihrer Wahl unterstützen.

Möchten Sie alle Vor- und Nachteile der verschiedenen Schnittstellen im Detail vergleichen?

Unser White Paper „Vergleich der gängigsten digitalen Schnittstellentechnologien (Camera Link, USB3 Vision, GigE Vision, FireWire)“ steht für Sie zum Download bereit.

Gehäuse

Unmittelbar verbunden mit der Wahl der Schnittstelle ist auch die Größe des Kameragehäuses. Sie spielt eine Rolle, wenn es um die Integration der Kamera in das Bildverarbeitungssystem geht. In Anwendungen, in denen mehrere Kameras nebeneinander angeordnet sind, um die gesamte Breite einer Materialbahn erfassen zu können (sogenannte Multikamera-Setups), zählt jeder Millimeter.

Die Gehäusegröße ist insbesondere in Multikamera-Setups wichtig.
Die Gehäusegröße ist insbesondere in Multikamera-Setups wichtig.
Modellpalette Basler
Die Modellpalette von Basler Kameras reicht von kleinen Gehäusegrößen von 29 mm x 29 mm bis hin zu den längeren Abmessungen bei Kameras mit sehr großen (Zeilenkamera-) Sensoren wie die der Basler sprint Serie.

Entscheidung Nr. 6: Nützliche Kamerafeatures

Kameras sind vielfach schon werkseitig vorbereitet, ihre Anwender bei verschiedenen Aufgaben bestmöglich zu unterstützen. So sind alle Basler Kameras werkseitig mit einem Kern hilfreicher Features ausgestattet, die helfen die Bildqualität zu verbessern, Bilddaten effektiver zu analysieren und Prozesse mit höchster Präzision zu steuern. Unsere Features Check List bietet einen umfassenden Überblick über sämtliche Features aller Basler Kameramodelle.

Wenn Sie ein Bildverarbeitungssystem konzipieren, kommen Sie vermutlich mit diesen drei Features in Berührung:

AOI (Area of Interest)
Mithilfe des AOI-Features können Sie individuelle Bildausschnitte innerhalb einer Aufnahme, oder sogar mehrere Ausschnitte gleichzeitig, auswählen. Der Vorteil liegt darin, dass so nur die Ausschnitte, die wirklich für die Auswertung eines Bildes relevant sind, verarbeitet werden. Das beschleunigt das Auslesen der Bilddaten.

Autofeatures

Basler Kameras verfügen über eine Reihe sogenannter Autofeatures wie zum Beispiel automatische Belichtungsanpassung oder automatischer Gain. Indem sich die Belichtungszeit und die Gain-Parameter automatisch den sich ändernden Umgebungsbedingungen anpassen, bleiben die Aufnahmen dank der Autofeatures konstant hell.

Sequencer

Den Sequencer nutzt man, um bestimmte Bildabfolgen auslesen zu können. Sie können damit zum Beispiel verschiedene AOIs programmieren, die mithilfe des Sequencers automatisch Sequenz für Sequenz ausgelesen werden.

Lichtet sich der Dschungel langsam?

Sie haben es fast geschafft! Nachdem Sie sich nun durch das Dickicht aus Kriterien und Komponenten gearbeitet, und sich nebenbei manch Wissenswertes auf Ihrem Weg durch die notwendigen Entscheidungen angeeignet haben, sind Sie nur noch einen kleinen Schritt entfernt von der richtigen Kamera!

Lichtet sich der Dschungel langsam?

Lassen Sie den Basler Kamera-Selektor für sich arbeiten!

Lassen Sie den Basler Kamera-Selektor für sich arbeiten!

Er sucht für Sie genau das aus, was Sie brauchen: die passende Flächen-, Zeilen- oder Netzwerkkamera für Ihre individuellen Ansprüche.

Hier geht es zu den Kamera-Selektoren.