Die Zeit ist reif

Forderung nach offenen Standards für Objektivanschlüsse

Die Bildverarbeitungsindustrie ist in einem ständigen Wandel begriffen. Zurzeit erleben wir dies auf zwei Ebenen: auf der Seite der Algorithmen mit Deep Learning und bei den Rechnerplattformen mit dem Umbruch von PC-basierten Systemen hin zu Embedded Vision. Erstaunlicherweise gibt es aber etwas in der Bildverarbeitung, das sich nie geändert hat: die Objektivanschlüsse.

Der meist benutzte Anschluss ist der C-Mount-Anschluss mit einem 1″-Schraubgewinde, 32 Gängen pro Inch und einem Auflagemaß von 17,526mm. Dieser wurde 1926 von Bell & Howell für 16mm-Schmalfilmkameras eingeführt und zuerst für analoge Kameras und später für digitale Kameras unverändert übernommen. Auch für größere Bildsensoren wurde nichts Neues entwickelt, sondern auf vorhandene Objektivanschlüsse aus dem Bereich von Spiegelreflexkameras zurückgegriffen, wie das M42-Schraubgewinde und den Nikon-F-Bajonettanschluss. Eigentlich erstaunlich: In unserer sich so schnell verändernden Welt gibt es bei den Objektivanschlüssen Standards, die scheinbar unveränderlich sind. Etwas Grundsolides, das – nach dem es einmal erfunden wurde – einfach perfekt funktioniert und keiner Änderung bedarf. Dem ist aber leider nicht so. Seit der Einführung von Autofokus-Spiegelreflexkameras mit Electro-Optical Systems (EOS) zur digitalen Informationsübertragung und von Canon 1987 (also bereits vor 30 Jahren) in Objektiven eingebauten Autofokusmotoren, hat die Bildverarbeitungsindustrie etwas Entscheidendes verpasst. Das fiel lange Zeit nicht auf, da Autofokussysteme nur für einen geringen Bruchteil der Machine-Vision-Anwendungen sinnvoll sind.

Neue Anforderungen

Heute gibt es aber auf Basis dieses grundlegenden Konzeptes noch viel mehr, was alles mit den vorhandenen Standard-Objektivanschlüssen für die Bildverarbeitung nicht realisiert werden kann:

• Stromversorgung von Objektiven für Stellmotoren und Elektronikkomponenten
• Autofokus und Rückgabe der Entfernungseinstellung
• Einstellung der Brennweite bei Zoomobjektiven und Rückgabe der eingestellten Brennweite
• Steuerung der Blende und Rückgabe der Blendeneinstellung
• Rückgabe von Objektiveigenschaften wie blendenabhängiger Helligkeitsabfall zum Bildrand, geometrische Verzeichnung und laterale chromatische Aberration. Daher ist es auch nicht möglich, diese Objektivfehler automatisch zu korrigieren.

Zugegeben, die Welt im Bereich der kommerziellen Systemkameras ist auch alles andere als ideal. Fast jeder Hersteller benutzt ein eigenes Objektivbajonett mit proprietärer Kommunikationsschnittstelle, die noch nicht einmal offengelegt ist. Das hat entscheidend dazu beigetragen, dass diese eigentlich ausgereiften Systeme nicht auf Industriekameras übertragen wurden. Es gibt nur wenige Insellösungen wie z.B. die XiB-Kameras von Ximea mit Canon-EF-Anschluss oder die EXO Tracer Kamera von SVS-Vistek mit einem Micro-Four-Third-Anschluss. Die wirklich interessante Frage ist aber: Was wäre, wenn es einen offenen Standard zur Kommunikation zwischen Objektiven und Industriekameras gäbe und dazu noch eine Serie neuer standardisierter Objektivanschlüsse, die teilweise so präzise sind, dass damit auch anspruchsvolle Messaufgaben durchgeführt werden können (Bajonett-Anschlüsse von Systemkameras haben zu viel Spiel)? Damit wären viele moderne Verfahren – vor allem des Computational Imaging – für alle (!) Kamerasysteme mit ausreichender Verarbeitungskapazität einsetzbar – und diese werden im Zeitalter der Embedded Vision immer mehr. Neben den schon bei den Systemkameras genannten Möglichkeiten wäre unter anderem Folgendes denkbar:

• neuartige Autofokussysteme mit Flüssigkeitslinsen
• intelligente Bildaufnahme: automatische Einstellung der Blende und Belichtungszeit, um eine vorgegebene Szene mit der richtigen Tiefenschärfe aufzunehmen
• automatische Aufnahme von Fokusserien zur Aufnahme von Tiefenkarten und zur Erweiterung der Tiefenschärfe
• alle Arten von optischen Systemen mit erweiterter Tiefenschärfe. Das Objektiv teilt dem Kamerasystem seine Eigenschaften mit und die Kamera führt die notwendigen Berechnungen durch.
• Korrektur bzw. Anpassung der Modulationstransferfunktion (MTF) des Gesamtsystems, da diese sowohl für das Objektiv als auch den Bildsensor bekannt sind
• Vibrations- und Bewegungskompensation während der Bildaufnahme
• automatische Anpassung der Bildschärfe an die Pixelgröße des Kamerasystems
• Kamerasysteme mit Superresolution

Große Herausforderungen

Ein neuer Standard für Objektivanschlüsse mit einheitlicher Kommunikationsschnittstelle stellt aber auch eine große Herausforderung dar.

• Wie kann ein einheitlicher Kommunikationsstandard hergestellt werden: von billigen Bildsensor/Objektiv-Kombinationen aus dem Konsumerbereich bis hin zu Highend-Systemen für hochpräzise Vermessungsaufgaben mit großen Objektiven?
• Wird es möglich sein, so präzise Autofokussysteme zu entwickeln, dass diese auch für Messaufgaben geeignet sind?
• Wie kann eine Rückwärtskompatibilität hergestellt werden, so dass Objektive mit den jetzt gängigen Objektivanschlüssen, insbesondere C-Mount-Objektive, noch eingesetzt werden können?

Klar ist, ohne einen solchen Standard im Zeitalter der Embedded-Vision-Systeme verpasst die Vision-Industrie viele innovative Bildakquisitionssysteme und neue Geschäftsmöglichkeiten. Daher möchte der EMVA zusammen mit den anderen internationalen Vision-Organisationen einen solchen Standard anregen.

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