Framegrabber


In PC-basierten Bildverarbeitungssystemen ist der FrameGrabber die entscheidende Schnittstelle zwischen Kamera und Computersystem. Abhängig vom Betriebssystem und der Rechnerbauform sind FrameGrabber mit abgestufter Leistung und für verschiedene Kameratypen verfügbar.
Da mittlerweile fast alle Videokameras die Digitalisierung der Signale intern erledigen und nur noch digitale Videosignale ausgeben, gewinnt der digitale Framegrabber zunehmend an Bedeutung bei anspruchsvolleren Lösungen.
Digitale Framegrabber werden benutzt um Kameras anzuschließen, die nicht über eine übliche Schnittstelle wie USB oder FireWire verfügen.
Spezielle FrameGrabber erlauben auch eine Vorverarbeitung der aufgenommenen Bilder.


Framegrabber Allgemeines

In PC-basierten Bildverarbeitungssystemen ist der FrameGrabber die entscheidende Schnittstelle zwischen Kamera und Computersystem. Abhängig vom Betriebssystem und der Rechnerbauform sind FrameGrabber mit abgestufter Leistung und für verschiedene Kameratypen verfügbar. Da mittlerweile fast alle Videokameras die Digitalisierung der Signale intern erledigen und nur noch digitale Videosignale ausgeben, gewinnt der digitale Framegrabber zunehmend an Bedeutung bei anspruchsvolleren Lösungen. Digitale Framegrabber werden benutzt um Kameras anzuschließen, die nicht über eine übliche Schnittstelle wie USB oder FireWire verfügen. Gewisse FrameGrabber erlauben auch eine Vorverarbeitung der aufgenommenen Bilder. ...

Framegrabber Übersicht
Frame Grabber für Analog Kameras
FrameGrabber zum Anschluss von Farb- oder S/W-Kameras mit analogen Videosignalen (BAS, S-Video Y/C, FBAS, RGB). Es stehen verschiedene Modelle (Baugruppe im PCI-, PC/104plus-, Compact PCI-Format) für Standard- und Hochauflösende Kameras zur Verfügung ... 		Framegrabber für Analoge Kameras
Frame Grabber für Digitale LVDS, Camera Link und IEEE 1394 Kameras
Digital - LVDS / CameraLink / GigE Digitale Framegrabber für LVDS, CameraLink und IEEE 1394 Firewire, auch mit integriertem Glasfaseranschluß und Signalprozessor. ... 		Framegrabber für Digitale, Camera Link und LVDS Kameras
Frame Grabber mit Bild Vorverarbeitung on Board
Mit Vorverarbeitung on Board (FPGA/DSP) ... 		Framegrabber mit DSP und FPGA on Board

Mit den Produkten von Mutech angefangen decken wir mit Boards verschiedener Hersteller den Bereich für reine PC Anwendungen ab. Die Bildverarbeitung wird entweder mit der Host CPU erledigt oder direkt auf dem Board. Der Einsatz zum Board ist abhängig von der jeweiligen Applikationsanforderung und dem damit verbundenen Kamerainterface.

Die bislang mit Abstand am häufigsten eingesetzten Komponenten in der Industrie sind analoge Kameras mit analogen FrameGrabbern, gefolgt von digitalen Kameras mit proprietären oder CameraLink-Schnittstelle und den dazu passenden FrameGrabbern. Diese Komponenten sind ausgereift und dank einer großen Vielzahl an Herstellern überall und seit langer Zeit gut erhältlich. FrameGrabber sind ausschließlich für die Bildverarbeitung entwickelt, während andere direkte Anschlussmöglichkeiten der Kameras wie FireWire oder USB meistens aus dem ConsumerBereich stammen.

Häufig stelle sich an diesem Punkt die Frage nach der Übertragungstechnologie gar nicht mehr, weil die gewählten Hardware-Komponenten eine Wahlfreiheit ausschließen.

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Hier die Schnittstellen im Überblick:

... USB2.0 und FireWire/IEEE 1394a haben derzeit die größte Verbreitung, weil sie das Bedürfnis nach einfach zu handhabenden Systemen erfüllen. Jedoch ist die Leistungsfähigkeit nach oben begrenzt. Hier setzen IEEE1394b und Gigabit- Ethernet an und bieten die nächst höhere Leistungsklasse.

... CameraLink entwickelt sich zur spezialisierten High-End-Lösung.

Welche Technologie im unteren (USB2.0/ IEEE1394a) und mittleren (IEEE 1394b/GigE) Segment das Rennen macht, entscheidet letztendlich der Kunde bzw. die Anwendungsanforderung.

... Offen sind auch noch der Einsatz von WirelessUSB oder 10-Gigabit-Ethernet - die Möglichkeiten dieser Technologien sind noch nicht ausgeschöpft.

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  Datenrate Kabellänge Implementation
Analog 5,5MHz analog Kein Limit, aber mehr Rauschen bei größeren Längen (> 30m) geringer Anspruch
USB 2.0 ca. 35 MByte/s ca. 5m geringer Anspruch
CameraLink 210 MByte/s (600 MByte/s) 7m ... 20m * sehr hoher Anspruch
IEEE 1394a 32 MByte/s 4,5m ... 15m ** geringer Anspruch
IEEE 1394b 64 MByte/s 4,5m ... 15m (500m) *** erhöhter Anspruch
Gigabit Ethernet ca. 100 MByte/s ca. 100m **** hoher Anspruch
*
**
***
**** 		abhängig von Datenrate (XCLK)
4,5m: Voll ausgebautes Netz mit 64 Einheiten, 15m: Standard BV-Applikation
15m: Standard BV-Applikation, 500m auf Basis von LWL
abhängig vom Ergebnis der Standardisierung

Welcher Standard am besten passt, definiert aber wohl letztlich ausschließlich die Applikation, deren technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit zunächst im Vordergrund steht.

In der ' Übersicht zeigen wir Ihnen Frame Grabber analog / digital und Zubehör für die aktuellen Kameras von Hitachi, Pulnix/Jai/Dalsa, Basler und viele mehr.

Analoge Bilddatenübertragung erfolgt auf einer Koaxial-Leitung bei der das Kamera-Videosignal zur Synchronisierung mit horizontalen und vertikalen Signalen aufmoduliert ist. Bei PAL-Farbsignalen wird zusätzlich die Farbinformation aufmoduliert. Für hochwertigere Farbübertragung werden drei weitere getrennte Leitungen (R rot, G grün, B Blau) als sogenanntes RGB-Signal genutzt. Mit den Sync-Signalen besteht die Möglichkeit mehrere Kameras zu synchronisieren. Die meisten FrameGrabber bieten Anschlussmöglichkeiten bis zu 4 oder mehr analoge Kameras meistens im Multiplex-Verfahren.
Im FrameGrabber werden die Daten von Analog nach Digital gewandelt. Der Takt hierzu erfolgt durch die Pixelclock der Kamera auf einer separaten Leitung. Die Übertragung der Pixelclock beeinflusst allerdings die mögliche Kabellänge, da je nach Kameratyp das mehr oder weniger hochfrequente Signal einer deutlichen Dämpfung unterliegt. Analoge Signale eignen sich gut für die Übertragung von Bilddaten von bis zu 100 Metern oder mehr auf einfachem Koaxial-Kabel mit z.B. BNC Anschluss. Die Spannung wird separat übertragen.

Progressive Scan - Vollbilddarstellung bietet höhere Empfindlichkeit und geringeres Bildrauschen gegenüber der älteren Technik dem Zeilensprungverfahren. Intelaced Scan - Halbbildverfahren bedeutet das ein Videobild aus zwei Halbbildern zusammengesetzt wird. Nachteilig bei Aufnahmen bewegter Objekte die sich mit einer entsprechenden Unschärfe zeigen.

LVDS ist eine Abkürzung für Low Voltage Differential Signaling, ein Protokoll für Digital-Schnittstellen. Es handelt sich um einen Schnittstellen- Standard für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit einer Bandbreite 4x oder 8x8 Bit bei 40 MHz ... von bis zu 500M Bit/. LVDS-Systemen sind als Punkt-zu- Punkt-Verbindung spezifiziert, also eine Kamera pro FrameGrabber. Es eignet sich damit für die unkomprimierte Übertragung von Video-Datenströmen. Es können sowohl monochrome wie auch farbige Bilder übertragen werden. Die niedrigen Spannungspegel bewirken, dass LVDS-Signale gegenüber elektromagnetischen Störungen empfindlich sind. Als Übertragungsmedien kann man Kupferkabel mit einer maximalen Leitungslänge von 10 -15m benutzen oder Glasfaser mit über 100m. Bei LVDS gibt es keine offiziellen Standards für eine Steckerbelegung, Kamera-Konfiguration oder Host-Software, es muss immer das SDK (Software Development Kit) des FrameGrabber Herstellers eingesetzt werden um die volle Leistungsfähigkeit des Systems zu erlangen. LVDS ist standardisiert nach ANSI/TIA/EIA-644-1995. Er beschreibt die physikalische Schicht, nicht die darauf aufsetzenden Protokolle. Wichtige Merkmale sind:

  • differenzielle Spannungspegel
  • relativ geringe Spannungspegel (low voltage)
  • die Signale werden mit einer Konstantstromquelle erzeugt

LVDS arbeitet mit einem Spannungshub von 0,3 V. Differenzielle Signalübertragung bedeutet, dass zwei Leitungen verwendet werden und die Differenz der Spannungen für den Logikzustand ausschlaggebend ist. Bei LVDS beträgt der Unterschied 0,3 V, während die absolute Spannung bei ca. 1,2 V liegt. Ein Logikwechsel wird durch Umpolen der Leitungen erzeugt. Dies wird als symmetrische Signalübertragung bezeichnet.

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Camera Link (CL) ist der designierte Nachfolger der LVDS-Schnittstelle in der industriellen Bildverarbeitung. Sie ist spezifiziert für schnelle Bildübertragung. Die Bitbreite pro Pixel kann zwischen 8 und 16 Bit variieren. Die maximale Pixelfrequenz beträgt 85 MHz. Falls noch mehr Daten übertragen werden sollen, kann dies in parallelen Streams, so genannten Taps, geschehen.

Camera Link gibt es in drei Varianten:


Als Stecker ist ein MDR-26-Stecker von 3M ,somit als eine standardisierte Hardwareschnittstelle definiert. Die größere Bandbreite von der Medium- und Full-Spezifikationen wird über einen zweiten Stecker/Kabel realisiert. Es können sowohl monochrome wie auch farbige Bilder übertragen werden.

Eine CL-Kamera wird mittels eines CL-Kabels mit dem PC über einen CL-Framegrabber verbunden. Für die Kommunikation vom PC zur Kamera stehen in einem Kabel mehrere Leitungen zur Verfügung. Zwei davon bilden eine normale RS-232 UART Schnittstelle. Diese dient im Wesentlichen zur Konfiguration und zur Steuerung der Kamera. Vier weitere Signale sind frei konfigurierbar und somit Kamera-spezifisch. Generell wird über die erste dieser vier Leitungen ein Trigger zur Kamera geschickt, um diese von außen (z. B. von einer Lichtschranke) zu steuern. Diese externe Triggerung ermöglicht eine sehr geringe Auslöseverzögerung (Latenz) der Kamera. Im Gegensatz zu LVDS sind die Stecker Belegungen standardisiert und somit können jede CameraLink-Kamera und FrameGrabber betrieben werden.

Die maximale Kabellänge ist abhängig vom Pixeltakt, sie beträgt 10 - 15 Meter. Bei größeren Distanzen sind Signalverstärker notwendig bzw. der Einsatz von Glasfaser.

In der Camera Link Spezifikation 1.2 wurde Power over Camera Link aufgenommen. Damit benötigen Kameras keine eigene Stromversorgung mehr.

GigE Vision - Gigabit-Ethernet-Kameras für industrielle Anwendungen GigE oder Gigabit Ethernet ist die neueste Ethernet-Generation. Jeder kennt Ethernet als die übliche Art und Weise der Verbindung eines Computers mit einem Netzwerk. Standard Ethernet hat eine maximale Datenübertragungsrate von 10 Megabits pro Sekunde (Mbit/s) und Fast Ethernet eine maximale Übertragungsrate von 100 Mbit/s, zu langsam, um unkomprimierte Bilddaten zu streamen und nicht schnell genug für Machine-Vision-Kameras.

Gigabit Ethernet (GigE) mit einer maximalen Übertragungsrate von 1000 Mbit/s (Gbit/s) beherrscht Streaming-Bilddaten und sorgt für eine zuverlässige Übertragung von Bilddaten aus hochleistungsfähigen Machine-Vision-Kameras

GigE (Gigabit Ethernet) ist lediglich die Netzwerkstruktur, auf der GigE Vision aufbaut. Der GigE Vision-Standard umfasst sowohl einen Hardware- Schnittstellenstandard (Gigabit Ethernet) und Kommunikationsprotokolle als auch standardisierte Kommunikations- und Steuerungsarten für Kameras. Die GigE Vision-Kamerasteuerungsregister basieren auf einer Befehlsstruktur namens GenICam. Diese ist ein Bestandteil des GigE Vision-Standards und richtet eine allgemeine Kamera-Steuerschnittstelle ein, damit Fremdanbieter- Software mit den Kameras verschiedener Hersteller ohne weitere Anpassungen kommunizieren kann.

Die vorteilhafte Kombination aus hohen Übertragungsraten, standardmäßiger Computerschnittstellen-Hardware, kostengünstiger Verkabelung und weiter Verbreitung machen Gigabit Ethernet zu einer attraktiven Schnittstellenoption für die Kameras im Einsatz der Bildverarbeitung zur Übertragung von Steuerungs- und Bilddaten über lange Kabellängen (bis zu 100 Meter) unter Verwendung kostengünstiger CAT5e- oder CAT6-Kabel. Eine Vernetzung von Kameras ermöglicht Bilddaten gleichzeitig an mehrere Computer zu senden und damit eine Verteilung der Bildverarbeitungslast auch auf verschiedene Computer. Diverse GigE Interface Komponenten bieten für Mehrkamerasysteme Vorverarbeitung um CPU Entlastungen zu minimieren und Transferraten zu steigern.

FrameGrabber mit Vorverarbeitung on Board
Der zur Zeit noch weit verbreitete PCI-Bus bietet eine maximale Transfer leistung von 133 MB/s, die von allen angeschlossenen Komponenten geteilt werden muss. Hierzu zählen nicht nur PCI-Steckkarten, sondern auch alle Onboard-Geräte wie Netzwerk, USB, Festplatten-Controller (IDE), die gleichfalls am PCI-Bus angeschlossen sind. Um große Datenmengen in der Bildverarbeitung zeitgerecht zu bearbeiten ist es notwendig dies direkt on Board des Frame Grabbers zu bewerkstelligen.

ADSP (Advanced Digital Signal Processor) sind eine Weiterentwicklung der bekannten DSP mit den Vorteilen von Skalierbarkeit und Multiprocessing Fähigkeit. Maßgebend hierbei ist die interne CPU mit welcher Instruktionen gleichzeitig ausgeführt werden.

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FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) ersetzen zunehmend ASICs und sogar Standard-Businterfaces mit dem Vorteil der Wiederprogrammierbarkeit. Praktischerweise verfügen moderne FPGAs auch bereits über vordefinierte Schaltungen wie RAM, Bus-Interfaces oder DSP-Funktionen, welche das Design von eigenen Algorithmen vereinfachen. Bildverarbeitung erfolgt dann direkt in Hardware und ist somit nicht durch komplexe Software oder Betriebs systemfunktionen beeinflusst.

Berechnungen on Board von pixelintensiven Vorverarbeitungsfunktionen wie z.B. Histogramme, Konvolutionen und morphologische Operationen entlasten den Host-PC.