Stärkere Leistung und mehr Tempo

Ihr Silberjubiläum feiert die Vision dieses Jahr. 25 Jahre gibt es die Fachmesse für Bildverarbeitung. Und erstmals findet die Leistungsschau in der großen Halle 1 auf dem Stuttgarter Messegelände statt. Unter dem Motto One Vision präsentieren rund 360 erwarteten Aussteller vom 6. bis 8. November ihre Neuheiten und Highlights. Dazu zählen Kameras, Bildsensoren, Vision-Sensoren, Framegrabber, Beleuchtungen, Laser, Optiken, Software sowie Bildverarbeitungssysteme, Anwendungslösungen und Dienstleistungen.

Die Messe wird die aktuelle Entwicklung der Bildverarbeitungsbranche widerspiegeln. Und die ist zur Zeit bemerkenswert. „Die industrielle Bildverarbeitung ist eine der am stärksten wachsenden Technologien in den kommenden Jahren“, sagt etwa Axel Müller, Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs LED-Beleuchtung bei iiM. „Die Anforderungen an die Produktqualitäten erhöhen sich. Produktionsprozesse werden beschleunigt. Daraus resultieren natürlich auch immer kürzere Inspektions- und Lesezyklen mit einer stetig wachsenden Anforderung an das Auswertevermögen zukünftiger Bildverarbeitungssysteme.“ Jeder könne die rasante Entwicklung von immer höher auflösenden Sensoren, schnelleren Prozessoren oder die Einführung neuer Kameraschnittstellen wie USB3.0 verfolgen, so Müller.

So stellt die zunehmende Verbreitung von CMOS-Sensoren einer der derzeitigen Trends dar, der auch auf der Vision im Mittelpunkt stehen wird. CCD-Sensoren dominieren die industrielle Bildverarbeitung momentan zwar noch, doch die CMOS-Technik aus der Consumer-Welt dringt nun auch in diesen Bereich vor.

Im Vergleich zu CCD-Sensoren könnten CMOS-basierte Lösungen mit einer Reihe von Vorzügen aufwarten, meint Peter Stiefenhöfer, Marketing-Leiter bei Stemmer Imaging. „Eine der neueren Entwicklungen in diesem Bereich sind Sensoren mit Global-Shutter-Funktion, die ihre Stärken vor allem bei hohen Bildaufnahmegeschwindigkeiten und hohen Auflösungen ausspielen“, erklärt Stiefenhöfer.

Neben Stemmer Imaging werden noch weitere Anbieter entsprechende Geräte auf der Vision zeigen. Dazu zählt etwa Hersteller Viimagic, der seine CMOS-Bildsensorgeneration mit voller HDTV-Auflösung und globalem Shutter vorstellen wird. Die CMOS-Sensoren seien besonders für die Industrieautomation, Sicherheit und Verkehrsüberwachung sowie Medizin- und Messtechnik geeignet, sagt CEO Rainer Schweer. „Überall dort, wo beste Bildqualität unter schwierigsten Lichtverhältnissen benötigt wird“, so der Viimagic-Chef.

CMOS-Technik ist aber auch mit Herausforderungen verbunden. „Verglichen mit CCD-Sensoren müssen wir bei CMOS-Sensoren in der Kameraentwicklung immer wieder feststellen, dass es um ein Vielfaches schwerer ist eine gute Bildqualität zu erreichen“, erklärt Uwe, Furtner, General Manager Technik bei Matrix Vision. „Der Anschein der leichten Integration, den die CMOS-Sensoren erwecken, wird schnell getrübt, wenn man sich die Bilddaten direkt am digitalen Bildausgang des Sensors betrachtet. Jeder Sensor hat individuelle Artefakte, die durch die Kameraelektronik ausgebügelt werden müssen.“ Wenn diese Hürde in der Kameraentwicklung aber erst mal geschafft sei, fügt Furtner hinzu, könne man die CMOS-Vorteile gepaart mit guter Bildqualität nutzen und in vielen Anwendungen einsetzen.

Die zunehmend leistungsfähigeren Bildsensoren fordern schnellere Technologien zu Datenübertragung. Daher rücken derzeit auch die Schnittstellen verstärkt ins Rampenlicht beim Thema Bildverarbeitung. Bisher war Cameralink für Hochgeschwindigkeitsanwendungen in vielen Fällen die ideale Lösung. Doch mit Coax-Press, Cameralink HS und GigE-Vision (Gigabit-Ethernet) stehen bereits neue Standards in den Startlöchern.

Bei der Coax-Press-Schnittstelle lassen sich über ein einziges Standard-Koaxkabel sowohl Bilddaten, Kommunikations- und Steuerdaten als auch die Stromversorgung zwischen Hochgeschwindigkeitskamera und Framegrabber – sprich Host – übertragen. Die Übertragungsgeschwindigkeit pro Kabel von der Kamera zum Host (downlink) beträgt bis zu 6,25 Gbit/s und in umgekehrter Richtung (uplink) 20 Mbit/s für Kommunikations- und Steuerungsdaten. Der Jitter der Schnittstelle liegt im Mikrosekundenbereich. Die Kabellänge kann bis zu 100 Meter betragen.

Cameralink HS bietet eine skalierbare Downlink-Bandbreite bei der Datenübertragung von 2,4 bis 48 Gbit/s in x1- bis x20-Konfigurationen und in Schritten von jeweils 2,4 Gbit/s. Die Kabellänge kann je nach Geschwindigkeit 15 oder bis zu 40 Meter betragen. Der Jitter liegt im Nanosekundenbereich.

Beide Spezifikationen müssen sich aber erst noch etablieren. Doch Hersteller bieten bereits Kameramodelle an, welche die neuen Standards unterstützen. Dazu zählt zum Beispiel PCO. „Wir bevorzugen Cameralink HS, weil Chipsätze von dem weit verbreiteten 10-GigE-Standard verwendet werden können, das Protokoll jedoch wesentlich effizienter ist als bei 10 GigE, so dass Datenraten bis zu 1245 MByte/s pro Kabel erreichbar sind“, erläutert Gerhard Holst, Forschungsleiter bei PCO. „Außerdem lassen sich Trigger-Signale in Echtzeit übertragen. Und mit Glasfaserkabeln sind Entfernungen bis zu 10 Kilometern möglich.“

Einige Kamerahersteller wie zum Beispiel Baumer Optronic warten jedoch erst einmal ab. „Wir beobachten Coax-Press und HS-Link aktiv“, sagt Mirko Benz vom Product Management bei Baumer. „Beide Schnittstellen adressieren zwar die Aufhebung von Limitierungen der derzeitigen Cameralink–Version, doch werden weiterhin Framegrabber benötigt.“

Zudem befänden sich dem Experten zufolge entsprechende Komponenten noch in einem sehr frühen Stadium, während Cameralink seit Jahren erfolgreich und zuverlässig eingesetzt werde. Benz resümiert: „Unserer Meinung nach wird das bewährte Cameralink-Interface daher auf absehbare Zeit für die Mehrzahl der Highspeed-Applikationen die bevorzugte Alternative bleiben.“

Besonders für Kameras der mittleren und unteren Leistungsklasse wird aber eine andere Schnittstellenspezifikation zunehmend interessant. „USB 3.0 ist auf dem Vormarsch und wird seinen Durchbruch durch den Treiberstandard USB3 Vision bekommen“, glaubt Furtner von Matrix Vision. USB 3.0 erlaube es nicht nur, hohe Bildauflösung mit hohen Frame-Raten zu kombinieren, sondern auch viele Kameras ohne Bildverlust parallel an einem USB-Port zu betreiben. Matrix Vision wirkt bei der Entwicklung des USB3-Vision-Standards mit und wird mit einer eigenen CMOS-Kamerafamilie auf der Vision vetreten sein, die USB 3.0 unterstützt.

Von der Spezifikation ist auch der Kamerahersteller Basler überzeugt: „Die USB-3.0-Schnittstelle wird einen Großteil der aktuellen Firewire- und USB-2.0-Kameras mittelfristig ablösen und sich zusammen mit GigE als Mainstream-Interface etablieren“, meint René von Fintel, zuständiger Produktmanager bei Basler. Der Anbieter stellt auf der Messe eine breite Palette an Ace-Flächenkameras mit USB-3.0-Schnittstelle vor – kompatibel zu USB3 Vision

„Die Kunden haben verstanden, dass es für sie wichtig ist, auf Standards zu setzen“, berichtet Furtner. Wie schon GigE Vision bringe auch USB3 Vision den Anwendern mehr Flexibilität und Investitionssicherheit.

Die Diskussion um Schnittstellentechnologien zeigt den großen Einfluss, den aktuelle Entwicklungen in der Informationstechnologie auf die Bildverarbeitung haben. „Alle erfolgreichen Schnittstellen kommen aus der Standard-PC-Welt“, hebt Furtner hervor, „sei es PCI, PCIe, USB 2.0, GigE und nun auch USB 3.0“. Und Hardy Mehl, Business Management Director bei Basler, ergänzt: „Die steigende Leistungsfähigkeit im IT-Bereich führt zu höherer Leistungsfähigkeit von Standardhardware und damit zu der Möglichkeit digitale Industriekameralösungen preisgünstiger zu machen.“

Zudem seien Standardtechnologien aus der IT häufig einfacher in der Anwendung gegenüber proprietären Technologien. „Beide Aspekte führen zum Entstehen neuer Anwendungsgebiete von digitalen Kameras und zu Marktwachstum“, so Mehl.

Neben Schnittstellentechnik wird der Trend zur 3D-Bildverarbeitung ein weiteres Schwerpunktthema auf der Vision sein. Denn die steigende Nachfrage nach entsprechenden Technologien ist schon seit einigen Jahren zu verzeichnen. „In einer Zeit, in der elektronische Bauteile jeglicher Art immer komplexer und dabei immer kleiner werden, stoßen herkömmliche 2D-Prüfverfahren an ihre Grenzen, da sie nicht das gesamte Fehlerspektrum wie etwa eine falsche Pinhöhe abdecken“, sagt Dieter Riehl, geschäftsführender Gesellschafter von Sirius Advanced Cybernetics (SAC).

3D-Lösungen sind mittlerweile in vielen Unternehmen angekommen. „Diese Technik ist endgültig den Kinderschuhen entwachsen und wird zunehmend erfolgreich in verschiedensten Anwendungen eingesetzt“, berichtet Stiefenhöfer von Stemmer Imaging. Die dreidimensionale Inspektion und Vermessung von komplexen 3D-Freiformflächen zählt laut Stiefenhöfer dabei noch immer zu den größten Herausforderungen für die Bildverarbeitung. Sie biete jedoch andererseits auch ganz neue Möglichkeiten und Potenziale.

Stiefenhöfer weist darauf hin, dass es mittlerweile Software-Lösungen gebe, die eine einfache Handhabung und Konfiguration von 3D-Systemen erlauben. „Dennoch ist eine gewisse Erfahrung beim Einsatz von 3D-Bildverarbeitungssystemen nötig“, so der Experte.

Häufig steht jedoch der Preis für die 3D-Lösungen einer breiteren Nutzung der Technik noch im Weg. Hersteller haben daher Systeme entwickelt, die Anwendern einen kostengünstigen Einstieg in die 3D-Welt ermöglichen sollen. Dazu zählt zum Beispiel Anbieter Vision Components seine frei programmierbare Kamera VC nano 3D, die mit dem Laser-Triangulationsverfahren arbeitet.