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Digital im Trend

Vergleich von digitalen und analogen Kameras
Digital im Trend

Digitale Kameras sind allseits bekannt durch Ihre Anwendungen im Konsumerbereich zur Fotographie oder als Webkamera. Auch in der industriellen Bildverarbeitung, der Biotechnik oder Bilddokumentation gibt es einen Trend zur Digitalkamera. Im folgenden Artikel wird aufgezeigt, dass dies nicht nur eine Modeerscheinung ist, sondern gravierende technische Gründe hat.

Basierend auf der 50 Jahre alten Videonorm sind analoge Kameras mit begrenzter Auflösung (etwa 768 x 574 Pixel ) und 50 Halbbildern (CCIR oder PAL) weit verbreitet. Inzwischen gibt es auch Megapixelkameras deren Signale nicht normgerecht ausgegeben, jedoch von einigen Bilderfassungskarten (Framegrabber) verarbeitet werden können. Sieht man sich eine Kamera mit analogem Ausgang an, stellt man fest, dass diese oft einen BNC Ausgang hat. Dies bedeutet, dass alle Signale quasi auf einem Draht übertragen werden. Das heißt vertikale und horizontale Synchronisationssignale und das eigentliche Videosignal überlagern sich. Dabei wird der Takt, nämlich die Pixelclock durch eine Logik, die PLL auf dem Empfangsteil quasi erraten. Setzen wir außerdem eine Bildverarbeitung mittels PC voraus, so ergibt sich ein analoger Datenpfad vom Bildaufnehmer ( CCD) über die Kameraelektronik, das Kabel und die PLL bis kurz vor der Digitalisierung auf dem Framegrabber. Bild 1 zeigt den Datenpfad des Videosignals im analogen Bildverarbeitungssystem. Bis auf wenige Framegrabber am Markt wird die Umwandlung des Videosignals von der analogen zur digitalen Form durch einen 8 Bit ADC vorgenommen. Zu beachten ist, dass kein A/D Wandler genau die Anzahl von Bits überträgt, die er vorgibt. Typischerweise geht ein Bit verloren, je nach Typ, Datenrate usw.

Digitalisierung in der Kamera
Bei Digitalkameras findet die Digitalisierung bereits unmittelbar nach der Aufbereitung des Rohvideos in der Kamera statt. Diese gibt es in verschiedenen Auflösungen abseits der Videonorm. Bild 2 zeigt den Weg des Videosignals in seiner digitalen Repräsentation von der Kamera bis zum PCI Bus . Im Gegensatz zur analogen Übertragung sind alle Synchronisations- und Datensignale sauber getrennt. Dabei ist es für die Qualität des Signals unerheblich ob dieses parallel (RS 644 oder auch LVDS genannt) oder seriell, wie bei dem neuen Standard CameraLink (Bild 3) übertragen wird.
Rauschen nicht erwünscht
Die Qualität der Bildverarbeitung und damit der Messergebnisse, wie Sie z.B. bei optischen Vermessungsaufgaben vorkommt, wird signifikant durch das Signal/Rausch Verhältnis geprägt. Bei Betrachtung des analogen und digitalen Signalpfades fallen verschieden Möglichkeiten auf, wo Rauschen unerwünscht das Signal beeinflusst. Am stärksten ist hier der Übertragungsweg zu nennen. Weitere Möglichkeiten sind angedeutet. Natürlich rauscht auch ein digitales System. Als Beispiele von internen Rauschquellen sind Verstärker-, Reset-, 1/F(Abtastfrequenz) und Quantifizierungsrauschen (ADC) zu nennen. Die Übertragung zum PC erfolgt allerdings digital, so dass alle Rauschquellen zusammen wesentlich kleiner sind als beim analogen System. Während dort bestenfalls bei einem 8-Bit A/D Wandler 7 Bit (= 128 Graustufen ) übrig bleiben kommen bei Kameras der SVCAM Serie, die mit einem 10 Bit ADC ausgestattet sind, je nach Datenrate bis zu 9,5 Bit in den PC. Sofern 8 Bit für die Bildverarbeitung hinreichend sind, können diese ohne weiteren Informationsverlust genutzt werden. Bei einem System mit 2 Byte (=16 Bit) sind, bei echten 9 optischen Bits, nun wenigstens 512 Graustufen möglich.
Digital bei hohen Auflösungsanforderungen
Was hat nun der Bildverarbeitungsnutzer davon? Bildverarbeitung beruht bekanntlich auf Kontrasten. Eine Kante liegt meist nicht genau auf einem Pixel, sondernd wird durch die Optik irgendwie auf das CCD abgebildet. Typischerweise sind – um einen hell/dunkel Übergang zu realisieren – 2–3 Pixel nötig. Dies wird sogar durch Subpixel-Grauwertalgorithmen ausgenutzt, da diese bei vielen Pixeln die Genauigkeit durch Mittelwertbildung erhöhen. Rauschen die Pixel nun sehr stark, d.h. ihre Dynamik ist nur bei 128 Grauwerten oder weniger, können diese Kanten nicht mit der gleichen Genauigkeit gefunden werden, wie bei einem Digitalsystem. Bild Nr. 4 macht den Vergleich deutlich. Links ist das Hellrauschen einer analogen Kamera, rechts einer digitalen aufgenommen. Beide Kameras haben den gleichen Sensor mit VGA Auflösung und sind unter gleichen Bedingungen getestet worden. Zur besseren Visualisierung wurden 128 Differenzbilder bzgl. eines Masterbildes aufaddiert um den Unterschied anschaulich zu machen. Der Rauschwert eines Differenzbildes bleibt dabei unverändert. Die analoge Kamera rauscht im Vergleich zur digitalen etwa doppelt so stark. Bei hochgenauen Vermessungsaufgaben in der Qualitätssicherung wie z.B. Vermessungen von Stanzteilen musste bei einem Blickfeld von 50 mm eine Genauigkeit von +/- 20 µm erreicht werden. Dies konnte mit einer hochwertigen Digitalkamera mit einer Auflösung von 1024 x 768 Pixeln realisiert werden. Der Einsatz einer analogen Megapixelkamera mit höherer Auflösung hätte kaum Vorteile gegenüber der digitalen gebracht. Z.B. können 1024 x 768 Pixel der SVS204 mit 10 Bit A/D Wandler bessere Ergebnisse bringen als der Einsatz der analogen Kamera JAI CV-A1 mit 1360 x 1024 Pixeln. Es lohnt sich daher, trotz des höheren Preisniveaus digitale Kameras bei kritischen Auflösungsanforderungen in der Bildverarbeitung einzusetzen.
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