Highspeed-Kameras mit Double-Rate Technologie
Doppelte Bandbreite
CMOS-Kameras haben sich aufgrund ihrer hohen Bildraten auf dem Gebiet der Highspeed-Bildaufnahme und optischen Analysen von Hochgeschwindigkeitsprozessen durchgesetzt. Seither wurden CMOS-Highspeed-Kameras als kompakte Kameraköpfe mit internem Bildspeicher oder als abgesetzte Kameraköpfe implementiert.
Für Anwendungsbereiche wie Bewegungsanalyse (Bionik, Sportmedizin, Biomechanik) oder die Analyse von Prozessstörungen (Bruch von Werkzeugen, Störungen in Handlingsystemen) werden Bildraten benötigt, die inzwischen von schnellen CMOS-Bildverarbeitungskameras abgedeckt werden. Bevorzugt werden aufgrund der Übertragungslängen dabei GigE-Industriekameras und für doppelt so schnelle Aufnahmesysteme Kameras mit GigE-Interface und Link Aggregation. Für diese Anwendungsbereiche wurde die Double-Rate (DR) Kameratechnologie entwickelt, die ganz auf der Standardimplementierung des GigE Interfaces mit GenICam und GigE Vision aufsetzt, aber annähernd die doppelte Bandbreite zur Verfügung stellt. So können Standardtools und -bibliotheken der industriellen Bildverarbeitung für die Realisierung von Highspeed-Bilderfassungssystemen genutzt werden. Auch der Aufbau von Mehrkamerasystemen kann problemlos realisiert werden, da der GigE-Standard nicht verlassen wird, im Gegensatz zu der Punkt-zu-Punkt Verbindung bei der Link Aggregation. Zur Realisierung der Übertragung der Bilddaten müssen die Bandbreiten der schnellen CMOS-Bildsensoren an die des GigE-Übertragungskanals durch Kompression der Daten angepasst werden. An das Kompressionsverfahren ergeben sich folgende Anforderungen: Die Kompression sollte nahezu verlustfrei sein und keine Blockartefakte erzeugen, wie z.B. bei der JPEG-Kompression. Daneben sollte das Kompressionsergebnis formaterhaltend sein, damit der GigEVision-Standard erfüllt wird. Da die Kompression in Echtzeit erfolgt, sollte das Verfahren zudem auf die FPGA-Ressourcen in der Kamera abbildbar sein. Weiterhin sollte die Dekompression auf der Empfängerseite hinreichend einfach sein, um zusätzliche Prozessorlasten zu vermeiden oder eine einfache Dekompression in Hardware zu gewährleisten. Gelöst wurde diese Aufgabe mit einer Pulscode-Modulationstechnik und einem ähnlichen Ansatz, wie er im Bereich Audio seit Einführung der CDs genutzt wird. Der Speicherbedarf für die Bildsequenzen wird nahezu halbiert, was zusammen mit der formatgetreuen Abspeicherung schnelle Suchläufe in den Bildsequenzen ermöglicht. Die anfängliche Skepsis gegenüber dieser Modulationstechnologie ist mittlerweile aufgrund der vielen Realisierungen von Referenzsystemen gewichen. Nach der Einführung des Verfahrens für s/w-Bilder wurde jetzt in einem zweiten Schritt das Verfahren für Farbbilder weiter entwickelt. Die Softwarebibliothek für die Demodulation ist auf die Verwendung von mehreren Threads optimiert, um die Verarbeitungszeit zu minimieren. Die Anzahl der verwendeten Threads kann durch den Benutzer eingestellt werden. Die Demodulation ist in den PF_GEVPLayer eingebaut, so dass Livebilder mit der doppelten Bildrate betrachtet werden können. Je nach Anzahl der verwendeten Kameras und der im PC eingesetzten CPU können die Daten für die Prozesskontrolle im Takt der Bildaufnahme aufgearbeitet werden. Eine weitere Möglichkeit ist, einen GigE-Framegrabber mit FPGA einzusetzen. Dabei wird der Demodulator in dem FPGA implementiert und arbeitet in Echtzeit. Besonders effizient ist diese Methode für Farbbilder, da die Demodulation mit dem De-Bayering der Bilder und gegebenenfalls mit einer Farbraumtransformation oder anderen Verarbeitungsschritten gekoppelt werden kann. Für Echtzeitanwendungen ist es möglich, auf Visual Applet-Implementierungen von Photonfocus in Verbindung mit dem GigE-Frame grabber microEnable IV VQ4-GE von Silicon Software zurückzugreifen. Die Double-Rate Kameraserie umfasst Kameras mit HDR und Low-Light CMOS-Bildsensoren. Für die verschiedenen Applikationen stehen s/w-, NIR- und Farbkameras zur Verfügung. Die für die Applikationen wichtigen Schallmauern 400fps bei VGA-Auflösung sowie 200fps bei Megapixel-Auflösung werden fast erreicht. Durch die Verwendung von Standard GigE-Technology bei höheren Datenraten eignen sich die Kameras hervorragend für die Einsatzzwecke der Kunden der Contemplas GmbH, die diese für Applikationen wie Schwimmen, Leichtathletik, Laufanalyse, Veterinärmedizin etc. sowohl als stationäre System, aber auch mit Notebook (bis zu drei Kameras) einsetzen. Die Firma entwickelt seit mehr als zehn Jahren Software zur videobasierten Bewegungsanalyse und versteht sich dabei als Plattform zur Integration vielfältiger Messsysteme. Insbesondere im Sport und der Sportwissenschaft sind dabei Highspeed-Kameras notwendig, um schnelle Bewegungen hochauflösend und detailliert untersuchen zu können. So setzte z.B. das Institut für Biomechanik und Orthopädie die Software Templo mit drei Kameras bei der Untersuchung der zwölf weltbesten Hochspringer ein.
