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

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.

• 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.

• 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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)

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.

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.

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.

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.

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.