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Lösungen für schnelle Bildarchivierung

Hochgeschwindigkeitsaufzeichnungen von Videosequenzen werden in vielen Bereichen genutzt. Bei sehr schnellen Prozessen archiviert man Videosequenzen oft nur deshalb, weil eine Verarbeitung der Sequenzen bei voller Aufnahmegeschwindigkeit nicht möglich ist.

Die Sequenzen werden daher in diesen Fällen vor und nach einem Event/ Vorfall zuerst archiviert und danach offline analysiert und ausgewertet. Mit solchen Recording-Systemen können Bildraten von bis zu einigen Tausend Bildern/s erreicht werden. Dies sind Geschwindigkeiten, die es ermöglichen, viele Probleme in einem Produktionsprozess zu erfassen

Die Einsatzfelder solcher Systeme sind extrem vielfältig. So werden Recording-Systeme unter anderem für die Aufnahme und Analyse von Crash-Tests, zur Fehlersuche bei schnellen Maschinen, für die Aufnahme und Auswertung von Diagnosebildern in der Medizintechnik, für die Analyse von Bewegungsabläufen und die Statistikauswertung im Sport oder für die Erstellung von Actionszenen in der Filmindustrie eingesetzt.

Systemarchitekturen

Es gibt zwei Arten von Highspeed Recording-Systemen: Online- und Offline-Lösungen. Online-Systeme arbeiten mit Hochgeschwindigkeitskameras, welche die Bilddaten direkt in den Systemspeicher oder auf das Speichermedium des PCs senden, während bei Offline-Lösungen die Bilddaten in der Kamera gespeichert werden. Die benötigte Bildrate entscheidet normalerweise die Auswahl des geeigneten Systems.

Online-Systeme sind auf die Schnittstellengeschwindigkeit zwischen Kamera und Computer und die interne Geschwindigkeit des Computers angewiesen. Bei Verwendung der schnellsten momentan verfügbaren Übertragungstechnik basierend auf CoaXPress liegt die Grenze bei ungefähr 16 GB/s (bei Ausstattung mit 4 bis 6 CoaXPress Frame Grabbern). Wenn diese Geschwindigkeit ausreicht können auf diese Weise lange Sequenzen aufgezeichnet werden.

Bei Offline-Systemen erhöht sich die mögliche Bildrate, da die Bilder in der Kamera gehalten und nicht während der Aufzeichnung übertragen werden müssen. Durch die begrenzte Speicherkapazität in der Kamera (derzeit gängig sind 1024 GB) reduziert sich die maximal mögliche Länge der Aufzeichnung.

Ein neues Speicherkonzept mit einem Solid State Storage Device (SSD) in der Kamera erlaubt es, die Bilddatenraten massiv zu erhöhen. Hohe Bildraten kombiniert mit hoher Auflösung für leistungsstarke Zeitlupen- und Hochgeschwindigkeitskameras sind damit möglich. Dieses neue Datenmanagement ermöglicht einen kamerainternen Datentransfer mit 1300 MB/s. Das ist die sechsfache Datengeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Speicherkonzepten.

Triggerung und Synchronisierung

Das Ziel eines Online-Inspektionssystems ist die Aufnahme eines einzelnen Bildes zu einem definierten Triggerzeitpunkt, wenn das Objekt die Kamera passiert. Normalerweise werden bei diesen Inspektionssystemen keine Bildsequenzen aufgenommen. Bei Sequenzrekordern hingegen definiert der Trigger den Zeitpunkt, ab dem eine komplette Bildfolge mit voller Geschwindigkeit aufgenommen wird. Natürlich können aber auch bei einer Sequenzaufnahme die einzelnen Bilder zusätzlich zum Anlagentakt synchronisiert werden.

Arten von Sequenz-Triggern

Aufgrund der Vielzahl von Anwendungen für Sequenzaufnahmesysteme gibt es auch hinsichtlich der Trigger-Szenarien die unterschiedlichsten Anforderungen. Die einfachste Methode ist es, mit der Aufnahme zu beginnen, sobald ein Trigger ausgelöst wird. In diesem Fall können jedoch keine Bilder gespeichert werden, deren Erfassung bereits vor dem Trigger-Zeitpunkt lag.

Für Diagnosezwecke ist jedoch die Zeit direkt vor dem Trigger-Zeitpunkt oft besonders interessant. Um dies zu ermöglichen, nutzen die Recorder einen Ringpuffer - also eine Vielzahl angelegter Bildspeicher - in die das System kontinuierlich aufnimmt. Wenn der letzte Speicher beschrieben ist, fängt das System wieder mit dem Überschreiben der ersten Aufnahmen an.

Wird in diesem Modus ein Trigger ausgelöst, speichert der Recorder noch solange weiter, bis der Ringpuffer bis zu einer bestimmten Position gefüllt ist, und stoppt dann. Somit sind im Speicher auch die Bilddaten direkt vor dem Trigger-Event vorhanden und können ausgelesen werden.

Neben dem klassischen Hardware-Trigger, also einem elektrischen Signal, kann der Aufnahmezeitpunkt eines Bildes auch über den Bildinhalt selbst bestimmt werden. Wenn sich die Bilddaten in einem bestimmten Bereich signifikant verändern, sei es in der Intensität oder aufgrund einer Bewegung im Bild, triggert sich das Sequenzaufnahmesystem selbst und sendet ein Bild. Ein zusätzlicher Hardware-Trigger ist dann nicht erforderlich.

Im nachfolgenden Beispiel löst der Sensor automatisch ein Bild aus, sobald ein Fahrzeug durch das Trigger-Feld fährt. Die Verwendung einer IR-Beleuchtung ermöglicht in diesem Fall die Aufnahme unabhängig vom Umgebungslicht.

Dieses Bild zeigt einen Aufbau, bei dem ein Crash-Test aufgezeichnet wird. Ein Teil der Szene wird von der Kamera überwacht und jegliche Veränderung in diesem Bereich löst die Aufnahme der Videosequenz aus. So wird ein Trigger exakt zum richtigen Zeitpunkt ausgelöst, ohne dass komplizierte Sensoren oder eine externe Triggerung notwendig sind.