Videokamera – Schlüsseltechnologie für Vision-Anwendungen

Progressiv Scan Kameras

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Videokameras nach Fernsehnorm stoßen in der ganzen Anwendungsvielfalt industrieller Bildverarbeitung schnell an die Grenzen ihrer Möglichkeiten. Die fehlerfreie Momentaufnahme zu jedem beliebigen Zeitpunkt ist der zentrale Schlüssel für alle weiteren Schritte im Handling, Materialfluß, der Automatisierung und des Quality Engineering.

Dipl.-Ingenieur Kamillo Weiss, freier Fachjournalist, Leinfelden-Echterdingen

Der enorme Druck zur Automatisierung mit immer komplexeren Aufgaben erfordert das schnelle Handling sowie die hochgenaue Montage und Qualitätssicherung mit höchster Zuverlässigkeit. Die Leistungsfähigkeit eines industriellen Bildverarbeitungssystems steht in unmittelbarer Abhängigkeit vom Informationsumfang des fehlerfreien Videobildes. Die bestehenden Videostandards – einschließlich dem seriellen Bus IEEE 1394 für höhere Daten-raten – können in der BV nur ein sehr beschränktes Anwendungsfeld abdecken. Erforderlich sind deshalb sehr robuste analoge und digitale Videokameras mit vielen anwendungsspezifischen Eigenschaften und Funktionen. Das Progressiv Scan Interline Transfer Prinzip ist das einzige Funktionsprinzip von Videokameras, bei dem alle Pixel absolut zeitgleich belichtet und deren Ladungen zeitgleich in den lokalen Speicher transferiert werden. Diese Funktionalität hat weitreichende Konsequenzen in der gesamten industriellen Bildverarbeitung bezüglich Geschwindigkeit, extremer Qualität, Flexibilität und Investitionssicherheit. Man ist bei diesen Videokameras an keine einschränkende Fernseh-norm oder sonstiges ein-engendes Raster gebunden.
Ohne „plug and error“
Von Multimedia und der Kommunikationstechnologie hat die allgemeine Videotechnik einen kräftigen Impuls bekommen. Durch die standardisierten Videosignale einschließlich der Funktionalität des seriellen Bus IEEE 1394 kann man von der kundenfreundlichen Philosophie eines plug and play für diese Bereich sprechen.
Dies könnte den fälschlichen Eindruck erwecken, daß die industrielle Bildverarbeitung hierdurch wesentlich profitieren würde. Nur ein kleiner Teil der gesamten anstehenden BV-Applikationen kann mit den Leistungsmerkmalen dieser plug and play Videokameras realisiert werden.
Aus Wunschvorstellung kann dann rasch ein teures plug and error werden.
Der Trend von BV-Applikationen geht zunehmend in Richtung Inline-Lösungen. Ein videogerechtes Umfeld der industriellen Produktion wird es und kann es nicht geben. Die Automatisierung hat im Laufe ihrer Entwicklungen zu eigenen Strukturen in Produktion und Organisation geführt. Diesen Anforderungen muß die Videokamera in Hard- und Software gerecht werden. Vorführeffekt und Realität können weit auseinander liegen.
Eine im Prozeß integrierte Videokamera, welche unter 1000 Bildwiederholungen durch Vibrationen nur ein einziges fehlerhaftes Bild liefert, ist in der Qualitätssicherung nicht mehr tragbar. Für eine BV-Applikation kann dies möglicherweise eine teure Nachentwicklung oder sogar das Ende eines Auftrages – mit Verlust eines Kunden sowie dem Imageverlust – bedeuten.
Im rauhen industriellen Betrieb ist es deshalb enorm wichtig, die Umwelteinflüsse – von z.B. Schallschockwellen, Vibrationen sowie Stößen und Schlägen – realistisch zu berücksichtigen. Viele Videokameras liefern durch Vibrationen schon nach kurzem Dauerbetrieb Fehler, oder sie lösen sich im schlimmsten Falle in ihre Bestandteile auf. Die solide mechanisch/elektronische Konstruktion der gesamten Videokamera ist deshalb von eminenter Wichtigkeit. Viele individuelle Spe-ziallösungen von Vision-Applikationen in unterschiedlicher Hard- und Software können für das Systemhaus oder den Anwender ein großes Risiko ergeben, begründet im zunehmend komplexeren Wartungs- und Pflegeaufwand.
Video ohne Begriffsverwirrung
Die Bildverarbeitung zwingt zu immer höheren Anforderungen an Meßgenauigkeit, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit. In der Elektronikindustrie und Präzisionsmeßtechnik muß die Videokamera die Genauigkeit im µm- und teilweise schon im nm-Bereich zuverlässig erschließen können. Genauigkeit im Subpixelbereich ist deshalb gefordert. Großflächige CCD-Pixel in quadratischer Form und quadratischer Anordnung auf dem Chip liefern hohe Lichtempfindlichkeit, vor allem auch gleiche Meßgenauigkeit in beiden Achsenrichtungen.
Wenn man im Subminiaturbereich messen muß und irgendwo im Bild ist durch eine bewegte Kante ein Grauwertübergang gegeben, dann ist es sehr wichtig, daß die Grauwertabstufung linear über mehrere Pixel aufgenommen werden kann. Durch eine Zeitverschiebung in Belichtung und Auslesung bei MOS oder Full Frame Transfer Prinzip wird beim letzten Pixel ein anderer Grauwert durch diese Zeitverschiebung gegeben sein als beim ersten Pixel.
Dementsprechend wird die Grauwertkurve abflachen und dadurch wird sich eine Meßkante verschieben. Dieser Fehler erfolgt nicht nur um 1/10 Pixel, sondern letztendlich um mehr als 1 Pixel im Meßergebnis. Ein sehr negativer Effekt der genauso durch die Bewegung der Kamera (kleinste Vibrationen) auftreten kann.
In vielen Anwendungsbereichen der schnellen Massenfertigung hat die Videokamera die hohe Geschwindigkeit der Bildauswertung von z.B. 200 Bildern pro Sekunde zu gewährleisten. Hohe Pixelclockfrequenz, reale kurze Shutterzeiten und extrem schnelle Datenübertragung sind gefragt.
Die derzeitig nutzbare Datenübertragungs-rate von 200 Mbit/s (25 MByte/s) über den seriellen Bus IEEE 1394 von normalen Videokameras sind für zahlreiche Vision-Anwendungen viel zu wenig. Im Gegensatz dazu besteht bei diesen Videokameras sogar die Möglichkeit, daß man durch spezielle Framegrabber nicht über den PCI-Bus geht, sondern die Bilder direkt in den Hauptspeicher des Rechners einfließen läßt. Dann steht dem Anwender ein Geschwindigkeitsbereich im Bilddatentransfer von GByte/Sekunde zur Verfügung.
Die Anforderung nach immer kürzeren Verschlußzeiten ist nicht zuletzt oft ein Spiel von theoretischem Wunschdenken und der nutzbaren realen Praxis. Der Ladungsaufbau und die Spannungswandlung (Lichtempfindlichkeit) im CCD-Chip ist begrenzt. Man kann nicht in unendlich kurzer Zeit alle eingefallenen Photonen zu Spannungen umwandeln. Eine Bildunterbrechung erfordert ein Löschen oder Auslesen der Ladungen aus dem CCD-Array. Nur wenn man die ganzen Re-gister vollkommen gelöscht hat, kann man mit der maximalen Ladung und Empfindlichkeit ein sauberes Array aufladen. Die vertikale overflow drain Struktur bietet die Löschung der Ladung aller Pixel im Mikro-sekundenbereich.
Die allgemein angegebene Löschzeit in µs bezieht sich stets auf nur 90 % der Ladungen. Der vollständige Löschprozeß ist aber rund vierfach länger. Die kürzeste Shutterzeit muß einen erheblich größeren Faktor aufweisen als die notwendige Löschprozeßzeit. Die Angabe einer Shutterzeit von z. B. 1/1 000 000 Sekunde ist dann unsinnig, wenn die Löschzeit bereits mehr als 10 µs dauert. Während die Transferregister gelöscht oder ausgelesen werden, ist jeder CCD-Chip weiter aktiv. In dieser Zeit generiert man einen Schmier-effekt bzw. das Schmiersignal. Bei äußerst kurzer Shutterzeit und extremen Aufnahmesituationen kann das Schmiersignal aber eine absolute Störgröße werden.
Im synchronen Kamerabetrieb für statische Aufnahmen mit 33 ms Belichtungszeit ist das Schmiersignal sehr sehr klein, örtlich in horizontaler Richtung vom Nutzsignal überlagert und vom Anwender nicht sichtbar.
Der asynchrone dynamische Kamerabetrieb mit zeitlich veränderter Objektposition im Bildfeld und die Tatsache, daß das Schmiersignal zu einem anderen Zeitpunkt als das Nutzsignal gewonnen wird, führt in extremen Aufnahmesituationen (dunkles Objekt in sehr heller Umgebung und äußerst kurzer Shutterzeit) zu einer beachtenswerten Störgröße des Schmiersignals. Unter diesen Meßbedingungen wird das Schmiersignal horizontal nicht vom Nutzsignal überlagert und kann als beachtliche Störgröße neben dem eigentlichen Meßobjekt im Monitorbild erscheinen. Durch eine Absenkung der Lichtintensität während der Transfer-Signalzeit läßt sich das Schmiersignal verringern. Beim erforderlichen Einsatz von gleichzeitig mehreren Kameras in einer Vision-Applikation kann die Fähigkeit des Videosystems von zeitgleichen Teilbildern unterschiedlicher Größe (Partial Scan) einen enormen Vorteil bieten. Mit Fernsehnorm ist dies nicht realisierbar. In der Fernsehnorm arbeitet man grundsätzlich mit zwei zeitversetzten Halbbildern. Die entstehenden Zeitdifferenzen – vom ersten und zweiten Halbbild – sind oft ein absolutes Hindernis in der Bildverarbeitung. Diese Differenzen liefern bei schnellen industriellen Vorgängen oder insbesondere auch bei Kameravibrationen ein fehlerhaftes, überlagertes oder auch verwischtes Bild. Deshalb wird fast immer nur ein Halbbild mit der halben vertikalen Auflösung ver-wendet.
Die hier angeführten Schwierigkeiten stellen nur einen kleinen Ausschnitt der vielen Probleme in der BV-Praxis dar.
Industrielle Bildverarbeitung beginnt immer mit der Qualität und dem Informationsgehalt des Ursprungsbildes. Deshalb kommt den realen technischen Spezifikationen in der Auswahl einer Videokamera ganz besondere Bedeutung zu. Die kundenspezifische fach-liche Beratung und der schnelle Service bezüglich der Videokameras für die BV ist deshalb für den Anwender und das Systemhaus besonders wichtig. Es lohnt sich, dem Thema Vision-Videokamera eine hohe Aufmerksamkeit zu schenken, denn die sogenannte katalogorientierte plug and play-Philosophie kann auch schnell der Anfang einer unnötigen Kostenkette sein.
Simultanbelichtung und Echtzeitbildtransfer
Viele High-speed Kameras arbeiten nicht nach dem Progressiv Interline Transfer Prinzip. Deshalb verfügen sie nicht über eine absolute Simultanbelichtung. Teilweise sind es Speziallösungen welche nur mit einer einzigen Vision-Software zuverlässig arbeiten können. Das US-Unternehmen PULNiX war der erste Anbieter von Videokameras mit dem Progressiv Interline Transfer Prinzip, mit dem extrem schnellen Transfer auf den lokalen Speicher im Imager. Diese CCD-Chips sind in der Herstellung wesentlich aufwendiger als die sonst in größeren Stückzahlen hergestellten Videoarrays. Durch die Teilnahme in der Entwicklung dieser Chips verfügt diese über ein außerordentliches Know-how in der Steuerung der Imager. Darin begründet liegt die enorme Flexibilität, Funktionsvielfalt und Zuverlässigkeit dieser Videokameras. Unabhängig davon, ob es sich nun um ein bewegtes Werkstück am laufenden Band, oder um eine Bewegung der Kamera (im negativen Falle Vibrationen) handelt, immer erfolgt das Bild als Momentaufnahme.
Bei vielen Anwendungen ist das Scannen eines ganzen Bildes nicht sinnvoll. In einer Applikation der Verpackungsindustrie ist z.B. nur der Barcode und ein Klartextschriftzug von Interesse. Die Funktion des Partial Scan bietet außerordentliche Vorteile. Die Aufnahme eines Teilbildes von z.B. 100 mal 640 Pixel erfolgt in nur 31 µs und die Videoausgabe benötigt nur 4,5 ms. Es erschließt sich dadurch der Einsatzbereich von 200 Bildsätzen asynchron pro Sekunde. Triggert man außerdem dieses Meßobjekt genau im Zentrum des Bildfeldes, so kann man es immer positionsgenau in der Bildmitte einfangen. Ist es immer exakt im Zentrum, muß man nicht mehr im gesamten Bildfeld suchen. Dadurch kann man sehr häufig weiterhin das Bildfeld horizontal und vertikal halbieren.
Bei der Videokamera TM-6705 kann man beispielsweise mit der einen Kamera nur fünf Zeilen scannen, mit der nächsten zeitgleich ein größeres Teilbild, und eine weitere Kamera nimmt zeitgleich ein Vollbild auf. Im Gegensatz zur Fernsehnorm können diese Teilbilder im Mehrkamerabetrieb problemlos nacheinander oder auch gleichzeitig in das Visionsystems einfließen. Dies ist eine wichtige Eigenschaft zum Beispiel in der Holografie und 3D-Meßtechnik. Für ein Vollbild mit einer Pixel-Clockfrequenz von 25 MHz ist man beim Scannen doppelt so schnell wie Progressiv Scan Kameras anderer Hersteller, welche außerdem zwei Teilbilder nach Fernsehnorm erzeugen. Viele Einsatzmöglichkeiten bietet die Funktion Multishutter – die Mehrfachbelichtung eines Bildes: Die Bewegung eines Werkstückes bzw. einer Werkstückkante ergibt ein zeitlich versetztes Doppelbild. In einem Zeitraster von bis zu 96 µs können exakte Rückschlüsse auf Geschwindigkeit, Drehzahl, Winkel, Distanz, Vibration oder Synchronität gewonnen werden. Diese wichtige Eigenschaft kann z.B. in vielen Fällen den Einsatz einer aufwendigeren Beleuchtung durch Stroboskop erübrigen.
Die neue Vollbildshutter Kamera TM-6701 mit 640 x 480 quadratischen aktiven Pixeln (9 µm x 9 µm) verfügt mit der Fähigkeit twice zu scannen über eine weitere Besonderheit unter den Videokameras: Mit dieser Funktion belichtet man das gesamte Bildfeld, addiert aber immer zwei Pixelladungen übereinander. Bei halber vertikaler Auflösung wird damit aber die doppelte Lichtempfindlichkeit erzielt. Da das ganze Bild dann nur noch 8,5 ms dauert, erzielt man einen doppelt so schnellen Bildwechsel.
Extrem robust
Bei der Installation einer Videokamera im Fertigungsprozeß z.B. einer Stanzmaschine – mit ihren enormen Vibrationen und Schallschockwellen – dürfen weder die Mechanik, Elektronik, noch die Steckersysteme Schaden nehmen. Die mechanische Bauweise dieser CCD-Chips mit integriertem Speicher wie er z.B. in der Videokamera TM-1010 verwendet wird, ermöglicht es, daß das Objektiv mechanisch extrem genau zum Chip justiert werden kann. Der Chip wird durch Paßstifte und frontseitige Auflagefläche mit einer Genauigkeit im µm-Bereich – als Option im nm-Bereich – zum C-Mount per Verschraubung dauerhaft justiert. Allgemein werden die Video-Imager auf der Rückseite geklebt, was keine genaue Justage ermöglicht. Die präzise mechanische Einheit von C-Mount und Imager ist auch ein entscheidender Beitrag für die Robustheit der Videokameras gegenüber Vibration von 7g (im Test 14g) und Schock von 70 g.
Weitere Informationen A QE 401
Zur gegenwärtigen Situation der Bildverarbeitung bemerkt Herr Alfred Bozem, Technischer Leiter, Pulnix Europe Ltd, Niederlassung Deutschland:
„Das Videobild ist Ausgangsprodukt jeder weiteren Bildverarbeitung. Die bestehende Video-/Fernsehnorm ist für die Anforderungen der industriellen Bildverarbeitung bei weitem nicht ausreichend. Die definierten Anforderungen einer Vision-Anwendung – bezüglich der Bildqualität, flexiblen Funktionalität, mechanischen Stabilität und elektronischen Zuverlässigkeit einer Videokamera – müssen exakt erfüllt werden, um mit den Vision-Software-systemen problemlos arbeiten zu können. Analoge und digitale Progressive Scan Kameras mit leistungsstarken Funktionalitäten werden mit der Breite der Visionanwendungen eine zunehmende Bedeutung bekommen. Das Progressiv Scan Interline Transfer Prinzip ist die einzige Methode, bei der alle Pixelladungen des CCD-Bildaufnehmers absolut zeitgleich belichtet und vor allem zeitgleich in den lokalen Speicher des Imagers transferiert werden. Wir sind in dieser Technologie führender Wegbereiter und verfügen über weitere Alleinstellungsmerkmale. Der weltweite Erfolg von PULNiX mit seinen Entwicklungen von Videokameras für die Industrie spricht für sich.“
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