Die Aufgabenbereiche und die Anzahl Kameras in der industriellen Automation und Machine Vision nehmen ständig zu. Gleichzeitig eröffnen sich immer neue Einsatzfelder für Kameras, wie zum Beispiel im Bereich Überwachung oder Smart Home. Für diese vielfältigen Aufgaben bietet die Stettbacher Signal Processing AG (SSP) bereits seit mehreren Jahren die qualitativ hochwertige und flexible O-3000-Kamera-Serie und die O-3000-VisionBox an.
Erweiterte Produktpalette erfüllt neue Anforderungen
Um eine noch grössere Bandbreite an Einsatzgebieten abzudecken, wurde die Produktpalette nun um die O-3100-Kameras erweitert, die ab sofort erhältlich ist. Äusserlich sehen sich die beiden Kameratypen zum Verwechseln ähnlich. Dies ist beabsichtigt, denn die O-3100-Produkte sind hardwareseitig voll kompatibel zu den bisherigen O-3000-Kameras und bieten die gleichen Objektivoptionen, Anschlüsse und Befestigungsvarianten. Ausserdem erbt die O-3100-Reihe alle Vorteile der O-3000-Serie wie das offengelegte Interface, die freie Verfügbarkeit von Open-Source-Treibern und Demoapplikationen. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Kameraserien liegt im Inneren, bei ihren funktionalen Stärken.
Rolling-Shutter-Kamera
Bei der O-3000-Serie handelt es sich um sogenannte Rolling-Shutter-Kameras, die sich durch ein geringes Grundrauschen (signal-to-noise ratio > 43 dB) auszeichnen. Sie eignen sich daher für detailreiche Szenarien zur Darstellung von feinen Farb- bzw. Helligkeitsnuancen und für feinkörnige Aufnahmen bei schlechten Lichtverhältnissen. Die besondere Stärke liegt jedoch im speziellen HDR-Modus (High Dynamic Range), mit dem die darstellbare Dynamik, also die abbildbare Spannweite vom dunkelsten bis zum hellsten Bildbereich um ein Vielfaches erhöht werden kann. Im HDR-Modus wird eine Dynamik von über 115 dB erreicht, was etwa 20 Bit pro Pixel entspricht. Wie das nachfolgende Beispiel zeigt, lassen sich mittels HDR-Technik Aufnahmen erzielen, bei denen sowohl extrem helle als auch extrem dunkle Bereiche noch kontrastreich aufgelöst und weder über- noch unterbelichtet sind.
Aufnahme erfolgt mit mehreren Belichtungszeiten
Im folgenden Experiment wurde eine leuchtende Glühbirne vor einem schachbrettartigen Hintergrund aufgenommen. Im normalen linearen Aufnahmemodus ist das Schachbrett korrekt belichtet. Im Gegensatz dazu ist die Glühbirne überbelichtet und erscheint nur als weisser Fleck. Weder der Glühwendel, noch das dahinter liegende Schachbrettmuster sind zu erkennen.
Im HDR-Modus wird die Szene mit mehreren Belichtungszeiten aufgenommen. Ausgeklügelte Algorithmen erzeugen daraus ein einziges, ausgeglichenes Bild. Dadurch wird das Überstrahlen verhindert. Im Bild bleiben sowohl die hellen als auch die dunklen Details erhalten. Auf diese Weise kann man sogar das Innenleben der Glühbirne inklusive des glühenden Wendels und dessen Reflexion am Glaskörper sowie das dahinter liegende Schachbrettmuster klar erkennen.
Global-Shutter-Kamera
Die O-3000-Kameras haben einen Rolling Shutter. Das heisst, dass die Pixel des Sensors während dem Auslesen zeilenweise nacheinander belichtet werden. Bewegt sich nun das aufgenommene Objekt, so kann dies zu einem Verzug in der Abbildung führen. Die neuen O-3100-Kameras arbeiten mit der Global-Shutter-Technologie, bei der alle Pixel des Bildsensors während einer Aufnahme gleichzeitig belichtet werden. Bei diesen Kameras entstehen keine Verzerrungen, selbst bei sich schnell bewegenden oder rotierenden Objekten. Auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten sind scharfe und unverzerrte Bilder möglich.
Im folgenden Beispiel wurde ein rotierender Ventilator mit der O-3000 und der O-3100 aufgenommen. Dies zeigt die Unterschiede zwischen der Rolling-Shutter- und der Global-Shutter-Technologie deutlich. Der Ventilator rotiert mit ca. 10–s. Die Flügelspitzen erreichen dabei Geschwindigkeiten von rund 3 m/s. Mit blossem Auge sind die Rotorblätter nicht mehr zu unterscheiden. Zur Veranschaulichung der Aufnahmequalität wurde eines der Rotorblätter mit einem Barcode versehen. Dieses Szenario steht beispielhaft für viele Anwendungsfälle in der industriellen Automation, wo in kürzester Zeit sich bewegende Objekte erkannt und klassifiziert werden müssen.
Rotorblätter werden verzerrt abgebildet
Die Rolling-Shutter-Technik stösst bei dieser Aufgabe bald an ihre Grenzen. Die Rotorblätter des Ventilators werden bei der hohen Rotationsgeschwindigkeit verzerrt abgebildet, der Barcode ist stark deformiert. Dies bezeichnet man als «Rolling-Shutter-Effekt». Er entsteht dadurch, dass die einzelnen Bildzeilen nacheinander belichtet und ausgelesen werden. Bewegte Objekte verändern ihre Position während dieser Zeit, was je nach Geschwindigkeit des Objekts und Belichtungszeit der Kamera zu sichtbaren Verzeichnungen führt. Im Bild sind diese Effekte sehr ausgeprägt. Bei so einer Anwendung zeigen sich die Vorteile der Global-Shutter-Technologie. Mit der O-3100-Kamera gelingt es, dank einer Belichtungszeit von nur 200 µs, den Ventilator in der Rotation scharf und unverzerrt aufzunehmen. Der Barcode ist trotz hoher Geschwindigkeit deutlich lesbar und lässt sich problemlos von einem Bilderkennungssystem auswerten.
Für jede Anwendung bietet SSP eine ideale Lösung
Das Portfolio von SSP bietet für jede Anwendung die perfekte Kameralösung. Für Anwendungen, die eine hohe Dynamik erfordern und wo sowohl helle als auch dunkle Bereiche erkennbar und kontrastreich dargestellt werden müssen, bietet sich die O-3000-Serie mit ihrem leistungsstarken HDR-Modus an. Dies kann zum Beispiel im Überwachungsbereich sein, wo durch Sonneneinstrahlung oft schwierige Lichtverhältnisse herrschen.
Für die scharfe und unverzerrte Erfassung von schnell bewegten oder rotierenden Objekten empfiehlt sich die O-3100-Kamera-Serie mit Global Shutter. Einsatzmöglichkeiten wären beispielsweise schnelle Kontroll- und Sortierfunktionen in der industriellen Produktion oder bei der Verkehrsüberwachung.
Dank Open-Source keine Lizenzkosten
Die Kameras von SSP unterscheiden sich stark von der Konkurrenz. Alle Treiber und Demoprogramme sind Open Source. Die ganze Software ist frei erhältlich und es fallen keine lästigen Lizenzkosten an und es müssen keine teuren und womöglich trotzdem unpraktischen Programme gekauft werden. Zusammen mit der mächtigen Open-Source-Bildverarbeitungsbibliothek OpenCV bilden die Kameras von SSP eine interessante Basis für flexible und kostengünstige Vision-Lösungen. Die Kameras sind untereinander hardware- und softwaremässig kompatibel und problemlos austauschbar.
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