Hardware-unterstützte Farbverarbeitung

Hardware-unterstützte
Farbverarbeitung

Der weltweit schnellste Camera Link Framegrabber

Wurden noch vor zehn Jahren die meisten Anwendungen ausschließlich über Grauwertbilder gelöst, hält die Farbverarbeitung immer stärker Einzug in die Bildverarbeitung. Einerseits liegt es an der Verfügbarkeit und großen Auswahl an Farbkameras, andererseits an der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit der Framegrabber und Computer. Dennoch sind Bilddatenmengen im Gigabyte-Bereich immer noch eine Herausforderung selbst für die schnellsten PCs.
Camera Link definiert in seinem Standard mit einer Datenrate von 850MB/s (Full Configuration Deca Mode) die höchstmögliche Bandbreite für Grauwertkameras. Standardkonforme Varianten dampfen einen Bayer-Farbfilter auf den Sensor auf, um nachträglich aus den Monochrompixeln die Original-Farbwerte rekonstruieren zu können. Für die Errechnung der Farbwerte existieren bekannte Verfahren, die sich durch ihre Genauigkeit und einer Flächen- oder Kantenbetonung unterscheiden. Durch die Verrechnung von 8bit-Grauwerten zu 24bit-RGB-Farbwerten steigt jedoch die Bandbreite der Bilddaten. Um die Bandbreite des Camera Link Standards auszunutzen, werden standardkonforme Farbvarianten von Kameras angeboten, die auf eine Farbrekonstruktion der Monochrompixel bauen. Mit dem Wissen, welche Einfärbung zu jedem Pixel gehört, kann später aus den Grauwerten wieder der Farbwert zurückgewonnen werden. Wichtig ist, dass die Pixelreihenfolge bekannt sein muss, um eine Farbinterpolation vornehmen zu können. Da aus einem oder mehreren Monochrompixeln ein Farbpixel errechnet wird, steigt die Bandbreite der Bilddaten bis zum Dreifachen an.

Übertragung von 2,55GB/s

Für eine Camera Link Anwendung mit Kamera und Framegrabber gibt es zwei Szenarien. Im ersten Fall überträgt die Kamera und der Framegrabber monochrome Bilddaten, die die CPU des Host-PC offline in Farbdaten umrechnet. Dieses ist ein zeitaufwändiges und wenig industrietaugliches Szenario. Im zweiten Fall überträgt die Kamera die monochromen Bilddaten zum Framegrabber, der die Daten in Echtzeit in Farbwerte umrechnet und als RGB-Daten – nun mit einer bis zu dreifachen höheren Datenrate – zum Host-PC zur Datenauswertung transferiert. Dieses passiert auf dem Framegrabber latenzfrei ohne die CPU zu belasten. Werden die schnellsten CL-Bayer-Kameras mit Deca-Modus eingesetzt, müssen bis zu 2,55GB/s Bilddaten rekonstruiert und übertragen werden. Moderne Framegrabber verwenden hierfür FPGA-Technologie, die für eine hochparallele Bearbeitung großer Datenmengen prädestiniert ist. Die Ressourcen in dem FPGA-Prozessor sind entscheidend über den Grad der Parallelität und somit über die Bandbreite der Verarbeitung, sowie über die algorithmische Komplexität des Designs und die Qualität der Farbrekonstruktion. Um die Vorgaben zu erfüllen, wurde die neueste Generation der intelligenten Framegrabberserie microEnable 5 für Camera Link aufgerüstet. Neben einem Anschluss für Full Configuration inklusive Deca-Modus-Kameras, verfügt der Framegrabber über einen Hochleistungs-FPGA Prozessor der Xilinx Virtex 6 Reihe, einem Speicherausbau von bis zu 1GByte und einer PCI Express x8 Generation-2 Schnittstelle zum Host-PC, der über die DMA3600 Technologie eine Bandbreite von 3,6GB/s bereitstellt. Damit kann die komplette Bandbreite einer Hochgeschwindigkeitskamera gewandelt und sicher übertragen werden. Eine Analysesoftware, die auf dem Host-PC weitere Berechnungen durchführt, wird durch die Vorverarbeitung auf dem Framegrabber entlastet. Während die microEnable 5 AD8-PoCL für die Bildaufnahme und Bildvorverarbeitung konzipiert wurde, kann bei der microEnable 5 VD8-PoCL der FPGA für Echtzeitbildverarbeitung eingesetzt werden. Die Programmierung findet über die grafische Umgebung VisualApplets statt. Die mitgelieferten Bibliotheken umfassen Funktionsoperatoren, die eine individuelle Farbverarbeitung für Echtzeitanwendungen ermöglichen.

Frameraten von 425fps

Die Druckindustrie benötigt sowohl eine hohe Bildeinzugs- und -verarbeitungsgeschwindigkeit als auch eine hohe Farbqualität. Hier spielt die algorithmische Qualität der Farbrekonstruktion eine wichtige Rolle. Traditionell eher im asiatischen Bereich bei der Inspektion u.a. der Farbfolien für Flachbildschirmen und von Solarpanels wird vor allem die Bandbreite benötigt, um die neuste Produktgeneration mit größeren Abmessungen, höheren Auflösungen und kleineren Strukturen auszuwerten. Aber auch bei der Inspektion von Endlosmaterial und Oberflächen bringen Farbwerte zusätzliche Informationen. Im Bereich Nahrung (food) und Agrartechnik werden über die Farbwerte die Reife und Güte bestimmt. Bei der Sortierung von Stückgutmaterial liegt eine besondere Anforderung in der schnellen Verarbeitung der Bilddaten und der Ansteuerung des Ausschleusemechanismus. Wird beim Recycling von Glasmaterial nur ein grober Farbvektor benötigt, wird im Bereich der Textil- und Nahrungsmittel bereits über definierte Farbraumprofile die akzeptable Qualität bestimmt. Aber auch im Bereich High-Speed Recording profitieren Anwendungen von der integrierten Farbverarbeitung und höheren Ausgabegeschwindigkeit, die nun bei einer FullHD-Auflösung eine Framerate von bis zu 425fps erreichen können. Eine hardware-unterstützte Farbverarbeitung spielt bei den großen Datenmengen eine wichtige Rolle. Die hochwertige Farbrekonstruktion aus monochromen Bayer-Bilddaten ist dabei nur der erste Anwendungsschritt. Die Konvertierung in einen HSI/HSL-Farbraum erleichtert die Definition von Farbbereichen. Über Filter-Funktionen und eine Blob-Analyse können Objekte gefunden, verfolgt, gezählt und Eigenschaften zugeordnet werden. Die Verbindung von Bild- und Signalverarbeitung auf einer Framegrabberkarte ermöglicht sogar die direkte Ansteuerung von Ausschleusemechaniken. Diese Grundfunktionen ermöglichen in unterschiedlichen Konfigurationen und Kombinationen eine Vorverarbeitung und, damit verbunden, eine inhaltliche Datenreduktion, die eine Weiterverarbeitung auf einem Host-PC ermöglichen.

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