Neue Märkte für die Bildverarbeitung

Andreas Marx, Basler Vision Technologies, Geschäftsbereich MVC (Machine Vision Components), Ahrensburg bei Hamburg

Zunächst einige Worte zum Wesen und der Entwicklung von IEEE 1394: Der „plug and play“-fähige Datenbus IEEE 1394 wurde bereits im Jahre 1987 als Diagnose für Motherboards von der Firma Apple unter dem Markennamen FireWire vorgestellt. Aufgrund der vielfältigen weitergehenden Anwendungsmöglichkeiten wurde der Bus im Jahre 1995 von der eigens gegründeten IEEE 1394 TA (trade association) normiert. Die Vereinigung ist um Weiterentwicklung, Vereinheitlichung und internationale Verbreitung des IEEE 1394-Standards bemüht.

Heute ist die primäre Ausrichtung des Datenbusses im Bereich Multimedia zu finden. So verwenden gegenwärtig nahezu alle digitalen CamCorder den IEEE 1394-Bus. Aber auch als Interface für die Datenspeicherung und andere PC-Peripherie eignet sich der Bus bestens. Allen diesen Anwendungen ist ein hoher Datenstrom und die dafür erforderliche hohe Busbandbreite gemein.

Viele Anwendungen im Bereich der industriellen Bildverarbeitung stehen vor dem gleichen Problemkreis. Der Auftraggeber fordert eine hohe Systemflexibilität, einfache Adaption, schnelle Lieferzeiten und nicht zuletzt immer günstigere Preise. Mit den konventionellen Systemen, gleich ob analog oder digital, muss der Entwickler immer wieder auf ganz bestimmte Kombinationen, bestehend aus den Hauptkomponenten Kamera, Framegrabber und Software zurückgreifen. Die Produktauswahl für die Konfiguration dieser Systeme ist eingeschränkt. So können in der Regel an einem Framegrabber Kameras unterschiedlicher Auflösung nicht betrieben werden. Es sein denn, man entscheidet sich für einen kostenintensiven Multinorm-Framegrabber.

In vielen Anwendungen verbietet sich der Schritt zur digitalen Kamera, so sinnvoll er technisch auch sein mag, aufgrund des vom Endkunden vorgegebenen Kostenrahmens.

Durch den verstärkten Einzug von IEEE 1394 in den Bereich der industriellen Bildverarbeitung sind viele dieser Problematiken nun effektiv, kostengünstig und sicher lösbar.

Ein typischer Anwendungsbereich ist die 3D-Messtechnik. Anwendungen dieser Art erfordern immer mindestens zwei Kameras. Durch IEEE 1394 ist der Anschluss von bis zu 64 Kameras an nur ein Businterface theoretisch möglich. Praktisch begrenzt die Bandbreite die Anzahl der einzusetzenden Kameras.

Die derzeitige Version des IEEE 1394 unterstützt bis zu 400 MBit/s. Immerhin können zwischen zwei und vier Kameras mit einer Datenrate von insgesamt bis zu 36 MHz, auch bei gleichzeitigem Bildeinzug bereits heute schon problemlos betrieben werden.

Durch das bidirektionale Design des Busses ist die Konfiguration der Kamera bzw. die Rückmeldung der Konfigurationsdaten an den PC sehr einfach zu realisieren. Die einfache Anbindung ermöglicht eine signifikante Kostenersparnis. Erstmals wird damit der digitale Bildeinzug mit all seinen Vorteilen wie höhere Bildqualität und geringere Störanfälligkeit aufgrund des Kabels auch kostenseitig zu einer echten Alternative.

Durch die Möglichkeit, jede Kamera individuell vor jedem Bildeinzug parametrieren zu können, wird das Bildverarbeitungssystem ausgesprochen flexibel. Es lässt sich sehr leicht auf unterschiedliches Reflexionsverhalten des Prüflings einstellen. Durch gezielten Einsatz des „Area of Interest“ (AOI), das wie jeder andere Parameter durch den IEEE 1394 gesteuert werden kann, lässt sich die vorhandene Bandbreite noch effektiver nutzen. Dies ist besonders bei der Anwendung von Kameras, die stufenloses AOI bieten, eine interessante Option, da hier die Übertragung unnötiger Datenpakete sehr präzise vermieden werden kann. Die Digitalkameras mit IEEE 1394-Technologie bieten dieses Merkmal.

Andere Anwendungen wie die Inspektion komplexer Gegenstände erfordern den Einsatz von Kameras mit verschiedenen Auflösungen und unterschiedlicher Bildwiederholfrequenzen. Ein klassisches Beispiel ist die Anwendung einer schnellen Kamera mit CCIR-Auflösung (768 x 582 Bildpunkte – z. B. Basler A302f ) im Zusammenspiel mit einer hochauflösenden Kamera wie der Basler A101f (1300 x 1030 Bildpunkte) – möglicherweise sogar mit unterschiedlichen AOI – wie sie zum Beispiel in der 3D-Messtechnik zu finden sind.

Dank der Möglichkeiten von IEEE 1394, unterschiedliche Kamerafähigkeiten automatisiert und für den Anwender vollständig transparent zu erfragen, kann der Bildverarbeiter jetzt auf die Verwendung der teuren und aufwendig zu programmierenden Multinorm-Framegrabber verzichten. Die unterschiedlichen Kameras können problemlos an einem IEEE 1394-Bus betrieben werden.

Die bidirektionale Architektur des IEEE 1394 ist auch die Basis für die „plug and play“-Fähigkeit des Bussystems. Jedes an einen IEEE 1394-Bus angeschlossene Gerät übermittelt dem Bus-Master – in der Regel das Interface im PC – präzise seine Fähigkeiten. Der Bus-Master kann nun das angeschlossene Gerät in allen seinen Fähigkeiten anzusprechen, ohne dass der Anwender manuell konfigurieren muss. Eine Besonderheit gegenüber anderen Bussystemen stellt hier nochmals die sogenannte „hot plug“-Fähigkeit des IEEE 1394 dar. Dies bedeutet, dass die angeschlossenen Geräte während des Betriebes vom Bus entfernt oder mit dem Bus verbunden werden können. In „mission critical“ Bildverarbeitungs-Anwendungen ist aufgrund dieser Architektur sogar ein Austausch einer Kamera im laufenden Betrieb möglich.

Dabei stützt sich die Topologie des Busses auf ein ebenso effizientes wie einfaches Kabelsystem. Die Daten werden zweikanalig übertragen, dass heißt, für den gesamten Datenverkehr werden lediglich zwei abgeschirmte Leitungspaare verwendet. Zusätzlich wird die Versorgungsspannung, die zwischen 8 und 40 Volt schwanken kann, über das gleiche Kabel an die Geräte geführt. Durch dieses Kabelkonzept und die Tatsache, dass der IEEE 1394 im Consumer-Bereich weite Verbreitung findet, sind die Kosten der Kabel mit denen der bekannten Interfaces nicht vergleichbar. Selbst Kabel für analoge Geräte sind zum Teil teurer.

Wie anfangs bereits erwähnt, ist der IEEE 1394 zunächst einmal für eine große Anzahl von Anwendungen konzipiert. Für die Bildverarbeitung ist die von der IEEE 1394 TA entwickelte und gepflegte Spezifikation für digitale Kameras, TA-DCAM, wichtig. Nur die strikte Einhaltung der IEEE 1394 TA und der TA-DCAM, die zwischenzeitlich in der Version 1.2 vorliegt, gewährleisten ein störungsfreies Zusammenspiel aller Komponenten. Basler Vision Technologies, selbst Mitglied der IEEE 1394 TA gewährleistet in seinen Kameras die Einhaltung beider Normen.

Schließlich sind diese Normen auch der Garant für die weitere Entwicklung des IEEE 1394. Gemeinsam mit den Anwendungen in der Consumer-Industrie wird ein Marktpotenzial geschaffen, das gleichsam Kontinuität wie auch technologische Innovation garantiert. IEEE 1394 oder auch FireWire, i-LINK und Lynx, um nur einige der Markennamen von Global Playern wie Apple, Sony, Texas Instruments, Microsoft und vielen anderen zu nennen, ist deutlich mehr als eine Modeerscheinung.

Durch technische Überlegenheit und breite Unterstützung im Markt ist der Fortbestand der IEEE 1394-Technologie gesichert. So ist zur Zeit die Erweiterung des IEEE 1394 auf 800 MBit/s und letztlich auf 1,6 GBit/s geplant. Noch im Jahr 2000 kann mit entsprechenden Produkten gerechnet werden.

Weitere Informationen A QE 401