Framegrabber-Befreiung

Mobile Echtzeitverarbeitung mit Glasfaser

Framegrabber-Befreiung

LightBridge ist ein neues Produktkonzept und versteht sich als externe Bildaufnahme- und Bildverarbeitungskomponente. Die Technologie ist in einem 10x12cm-Gehäuse untergebracht und besteht aus einem leisen, lüfterlosen System. Angeschlossen ist es über ein elektrisches oder optisches Thunderbolt-Kabel an einen Host-PC. Für PCs, die diese Technologie nicht unterstützen, steht eine halbhohe Thunderbolt-Erweiterungskarte für einen PCIe-x4-Slot zur Verfügung.
Urteilt man nach den Medien, hat Thunderbolt den Marktkampf mit USB3 bereits verloren. Thunderbolt hat allerdings einige große Vorteile. Es basiert 100% auf der PCIe-Technologie und wird von dem PC-System als eine Verlängerung der Mainboard-Busse gesehen: Kein Treiber ist daher notwendig, kein zusätzlicher Overhead entsteht und Thunderbolt ‚erbt‘ die Robustheit der PCIe-Technologie. Zudem wird kein weiterer Aufwand für Softwareadaptionen benötigt und es verhält sich 100% kompatibel zu einem internen Framegrabber, was auch Teil der Hardware-Konzeption bei LightBridge war.

Hohe Bandbreite & flexible Kabel

Verfügbar sind eine 1GB/s- und eine 2GB/s-Variante. Schnellere Versionen sind bereits von Intel und Apple angekündigt. LightBridge setzt in der ersten Version auf die 1GB/s-Version. Sie bietet für Camera Link ausreichend Bandbreite. Nachfolgende Versionen, die schnellere Standards unterstützen (CoaXPress und Camera Link HS), werden zukünftig mit schnelleren Thunderbolt-Chips ausgestattet sein. Thunderbolt ist sowohl für die elektrische Datenübertragung als auch für die optische Übertragung (hierfür wurde früher der Name ‚Light Peak‘ verwendet) standardisiert. Inzwischen werden von drei großen internationalen Firmen optische Thunderbolt-Kabel angeboten und Kabellängen bis zu 100m können direkt vom Lager bestellt werden. Die optischen High-Flex-Kabel sind kompakt, elastisch, für eine sehr hohe Anzahl von Biegezyklen zertifiziert sowie im hohen Maße torsionsgeeignet. Der Platzbedarf ist minimal, gerade im Vergleich mit Camera Link und CoaXPress mit ihren Multichannel-Kabeln und großen Steckerabmessungen. Neben der großen Kabellänge ist vor allem auch die Störungsfreiheit der fiberoptischen Verbindung im industriellen Umfeld ein Hauptmerkmal. Für einen industriellen Einsatz gibt es bereits Kabelhersteller, die eine Steckerverschraubung der Kabel anbieten. LightBridge-Systeme sind mit zwei Thunderbolt-Anschlüssen ausgestattet und erlauben hierdurch eine Reihenschaltung (Daisy Chaining) von bis zu sechs Endgeräten über einen Anschluss. Ein Ausbau des Bildverarbeitungssystems mit weiteren Kameras ist jederzeit möglich, solange die Gesamtbandbreite von Thunderbolt nicht überschritten wird. Als Kameraeingänge stehen zwei Camera-Link-Anschlüsse zur Verfügung. Die Hardwarekonzeption sieht eine modulare Variantenbildung für weitere digitale Schnittstellentechnologien vor. Da USB3.1 ab 2015 mit optischen Kabeln auf den Markt kommt, liegen die Schwerpunkte für neue Interfaces auf CoaXPress, Camera Link HS und GigE Vision.

Individuell programmierbare FPGAs

Prozessor-Herzstück der LightBridge ist ein FPGA. Er übernimmt die Bildeinzugs- und Bildvorverarbeitungsaufgaben. Zudem garantiert er eine Signalverarbeitung mit minimalen Latenzen. LightBridge ist aber auch in einer programmierbaren Version geplant. Der Kunde kann über VisualApplets den FPGA grafisch – ohne spezielle Vorkenntnis von Hardwareschaltungen – auf seine Bedürfnisse programmieren. Die entsprechende Software ist in der Bildverarbeitung inzwischen zu einem Standard für die FPGA-Programmierung geworden. Mit der Programmierung des FPGAs entscheidet der Kunde, wie er das System einsetzen möchte. Von einfachen Bildverarbeitungen (z.B. Verrechnung von mehreren Zeilenkamerabildern zu einer langen Zeile) bis zu autarken Bildverarbeitungsaufgaben (z.B. Sortierung von Glaspartikeln nach Farbe und Größe mit automatischer Ausschleusung) ist das Einsatzgebiet ausschließlich von den verfügbaren FPGA-Ressourcen abhängig. Das Signalverarbeitungskonzept ist mit seinen optoentkoppelten Ein- und Ausgängen auf die Steuerung der Bildverarbeitungsperipherie ausgelegt. Für SPS-Kompatibilität und Synchonisierungsaufgaben ist ein RS485-Steckeranschluss verfügbar. Bei der Verwendung mehrerer Systeme können diese automatisch synchronisiert werden. Für die kommenden Generationen werden Feldbus-Protokolle direkt implementiert. Hierüber werden die Statusmeldungen abgesetzt oder Konfigurationsdaten geladen. Da der FPGA für den Kunden programmierbar ist, können komplette Bildverarbeitungsaufgaben in dem System berechnet werden und über die SPS ihren Status kommunizieren. Die Signalverarbeitung und Kommunikation lehnt sich somit an die Fabrikautomation an und holt sie in die industrielle Bildverarbeitung.

Schneller Austausch und höhere Kabellängen

Framegrabber haben gegenüber anderen Komponenten den Nachteil, dass sie in einem PC verbaut sind. Ist ein Update oder Austausch notwendig, ist häufig eine Unterbrechung des PCs oder sogar des Gesamtsystems notwendig. Diese Stillstandzeiten sind nur bedingt akzeptabel und zudem teuer. LightBridge kann dagegen vorkonfiguriert und in Minuten ausgetauscht werden. Die Kabellänge bei Camera Link ist, trotz neuer Innovationen, stark limitiert. Bei Verwendung der kleineren SDR16-Stecker verringert sich zudem die Kabellänge. Für schnelle Kameras (Medium und Full Configuration inkl. Deca Mode/80bit) werden zwei Kabelstränge mit großem Querschnitt benötigt. Die Kabel sind steif, haben große Biegeradien und sind schwer zu verlegen. Flex Material ist nur begrenzt flexibel. Die maximale Länge endet bei 15m, in der Praxis allerdings meistens schon bei geringeren Längen. Elektromagnetische Einstreuungen beeinflussen zudem die Daten- und Signalübertragung. LightBridge ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung über kompakte, flexible, optische Kabel. Für mobile Systeme sind zwar PCMCIA-Einstecklösungen für Camera Link verfügbar, diese unterliegen aber auch der Kabellängenbegrenzung. LightBridge erfordert ausschließlich einen Thunderbolt-Anschluss, um auf die Vorteile und die große Modellauswahl der Camera-Link-Kameras zurückzugreifen. Inzwischen haben einige große Hersteller zugesagt, Thunderbolt in ihren Laptops zu verbauen. Light Bridge ist durch seine Schutzklassen und Konstruktion auch in der industriellen Umgebung einsetzbar. Sie kann sowohl in Schaltschränken als auch in der Robotik, Verkehrs- und Logistikanwendungen oder auch in Anwendungen in der Agrartechnik verwendet werden. Zudem eröffnet sich so Inhouse-Anwendungen oder Anwendungen im Außenbereich. Damit sind gerade im nicht-industriellen Bereich mit neuen Anwendungsfeldern zu rechnen, wie z.B. Medizintechnik, Sport, Entertainment, …

Fazit

Die Bildverarbeitungsbranche bedient seit Jahren erfolgreich den nicht-industriellen Bereich. Immer noch werden neue Anwendungsfelder ‚entdeckt‘. Die neuen Formfaktoren für Kameras haben in den vergangenen Jahren zu neuen Einsatzbereichen geführt. LightBridge ermöglicht, dass diese – und neue Anwendungen – von der höheren Geschwindigkeit, der hochgenauen Ansteuerung bei letztendlich moderaten Systempreisen profitieren. Echtzeitbildverarbeitung wird somit mobil, ohne das Anwendungsspektrum zu begrenzen. Vielmehr sind kleine, intelligente Bildverarbeitungssysteme nun unabhängig von der Standortfrage einsetzbar und erfüllen gleichzeitig die Anforderung an eine schnelle und einfache Austauschbarkeit. Dadurch etabliert sich endlich auch die Bildverarbeitung in der Fabrikautomation.

www.silicon-software.info

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