Ein Vision System bauen oder kaufen – Wie entscheiden Sie sich?

Bei der Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems stehen Unternehmen vor einem Dilemma: Sollen sie eine bestehende Lösung von der Stange kaufen oder ihre eigene entwickeln?

Die Entwicklung Ihrer eigenen Technologie bietet unbestreitbare Vorteile. Sie besitzen das geistige Eigentum (IP), Sie kontrollieren den Funktionsumfang und den Produktlebenszyklus. In einer Branche, in der der Einsatz von Computer Vision neu ist oder sich noch in der Entwicklung befindet, könnte die Entwicklung Ihres eigenen Bildverarbeitungssystems Ihrem Produktangebot einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, der Ihnen hilft, sich von der Konkurrenz abzusetzen.

Für einige Anwendungen bieten Standardlösungen möglicherweise nicht die Funktionalität oder den Funktionsumfang, den Ihre Kunden benötigen. In diesen Fällen gibt es ein starkes Argument für die Investition in die Entwicklung Ihres eigenen Bildverarbeitungssystems.

Allerdings birgt die Entwicklung Ihrer eigenen Technologie auch ein erhebliches Risiko. Die Entwicklung von Bildverarbeitungssystemen ist ein hochspezialisiertes Fachgebiet, und wenn Ihr Unternehmen nicht bereits Bildverarbeitungssysteme entwickelt, ist es unwahrscheinlich, dass Ihr Ingenieurteam mit allen Aspekten des Projekts vertraut ist. Die Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems erfordert erfahrene Hardware-Ingenieure, Software-Entwickler, die sich mit Datenkommunikationsprotokollen und Gerätetreibern auskennen, sowie Personen, die zumindest ansatzweise mit Optik, Farbtheorie, Bilddatencodierung und Bildoptimierung vertraut sind.

Das bedeutet, dass Sie zusätzlich zu den Entwicklungskosten auch die Kosten für die Anwerbung und Einstellung der erforderlichen technischen Fachkräfte für diese Technologie tragen müssen.

Die Lieferkette für bildgebende und optische Komponenten kann ebenfalls kompliziert sein. In gewisser Weise ist es eine kleine Branche. Die meisten Optikhersteller sitzen in Ostasien, und je nachdem, woher Sie Ihre Komponenten beziehen, kann es zu Verzögerungen oder Unterbrechungen in der Lieferkette kommen.

Die gute Nachricht ist, dass Sie nicht für jeden Teil des Technologie-Stacks einen Alleingang machen müssen. Bildverarbeitungsunternehmen wie FRAMOS können Module für die wichtigsten Komponenten eines Bildverarbeitungssystems, Gerätetreiber sowie technische Dienstleistungen und Unterstützung für spezielle Aufgaben wie die optische Ausrichtung und die Entwicklung von abgestimmten Bildprofilen für die von Ihnen gewählte Optik, den Sensor und die Anwendung liefern.

SCHLÜSSELKOMPONENTEN EINES COMPUTER VISION SYSTEMS

Das Herzstück eines jeden Bildverarbeitungssystems ist der Bildsensor. Ihre beabsichtigte Anwendung bestimmt die Wahl des Sensors, und der Sensor legt die Anforderungen für den Rest des Technologiepakets fest, einschließlich der Optik, der Datenschnittstellen und der Bildverarbeitungskomponente. Daher besteht der erste Schritt bei der Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems darin, eine Reihe von Spezifikationen zu entwickeln, die es Ihnen ermöglichen, bei der Auswahl eines Bildsensors eine fundierte Entscheidung zu treffen.

Der Bildsensor

Im Folgenden finden Sie einige der wichtigsten Faktoren, die Sie bei der Entwicklung von Spezifikationen für Ihren Bildverarbeitungssensor berücksichtigen sollten:

1. Benötigen Sie ein 2D-Bild oder eine 3D-Tiefenerkennungs-Technologie?
2. Welches ist das erforderliche Einsatzspektrum des Sensors? Handelt es sich um sichtbares Licht oder kurzwelliges Infrarot? Wird Ihr Bildverarbeitungssystem unter kontrollierten Bedingungen oder im Freien eingesetzt? Muss Ihr Bildverarbeitungssystem bei schlechten Lichtverhältnissen arbeiten?
3. Was ist die gewünschte Auflösung des aufgenommenen Bildes oder Videos?
4. Wie hoch ist die erforderliche Bildaufnahmegeschwindigkeit und Bildrate?
5. Benötigen Sie für Ihre Anwendung einen Global Shutter, um Hochgeschwindigkeitsbewegungen zu erfassen, oder reicht ein Rolling-Shutter-Sensor aus?
6. Ist ein CCD-Sensor (Charge-Coupled Device) die beste Technologie für Ihre Anwendung, oder wäre ein CMOS-Sensor (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) besser geeignet?

Das ganze Thema CCD- versus CMOS-Sensoren kann ziemlich komplex sein. Bis vor einigen Jahren boten CCD-Sensoren bei einigen Anwendungen klare Vorteile gegenüber CMOS-Sensoren, aber das hat sich geändert, und CCD-Sensoren werden allmählich nicht mehr verwendet. Dieses Thema wird in unserem Whitepaper „Bauen oder kaufen?“, das Sie hier finden, ausführlich behandelt.

Optik

Ihr Bildverarbeitungssystem muss so konzipiert sein, dass es den gesamten Bereich der Brennweite, der Beleuchtungsbedingungen und des Sichtfelds unterstützt, der für die beabsichtigte Anwendung erforderlich ist.

Die Optik, die Sie für Ihr Bildverarbeitungssystem wählen, wird im Wesentlichen von zwei Dingen bestimmt: der Größe des Sensors und den Betriebsanforderungen an den Bildkreis und den Betriebsbereich des Bildverarbeitungssystems. In manchen Fällen kann ein preiswertes M12-Objektiv mit S-Mount die beste Wahl sein, aber für größere Bildsensoren oder Anwendungen, bei denen der Betriebsfokus und die Blendeneinstellung des Objektivs an wechselnde Bedingungen angepasst werden müssen, ist ein Objektiv mit C/CS-Mount vielleicht die bessere Wahl.

Einige spezielle Anwendungen geben die Wahl der Optik vor. Wenn Sie zum Beispiel einen Sensor für kurzwelliges Infrarot (SWIR) verwenden, sind Sie auf Optiken beschränkt, die für das Infrarotspektrum entwickelt wurden (gewöhnliche Glaselemente absorbieren Infrarotlicht). Bei einigen Bildverarbeitungsanwendungen müssen Sie die Ausrichtung der Objekte, die Ihr Bildverarbeitungssystem beobachtet, genau bestimmen. In diesen Fällen müssen Sie möglicherweise ein telezentrisches Objektiv verwenden, um ein Bild mit einer orthografischen Projektion zu erzeugen.

Bei der Festlegung der optischen Anforderungen für Ihr Bildverarbeitungssystem müssen Sie auch eine geeignete Objektivhalterung auswählen und entwerfen und für die korrekte optische Ausrichtung der Komponenten während des Herstellungsprozesses sorgen.

Sensor Modul

Das Sensormodul ist die Hauptkomponente eines jeden optischen Moduls. Es dient nicht nur als Träger für den Sensor und die Objektivfassung, sondern muss auch den Zugang zu den Datenleitungen des Sensors und eine physische Verbindung zu einem geeigneten Sensoradapter für das Datenkommunikationsprotokoll bereitstellen, das in Ihrem Bildverarbeitungssystem verwendet wird, um die Rohbilddaten vom Bildsensor zu einem Bildprozessor oder Bildprozessoradapter zu übertragen. Aufgrund der hohen Dichte der Datenleitungen, die mit dem Sensor verbunden sind, und der Notwendigkeit eines mehrschichtigen PCB-Designs kann die Entwicklung dieser Komponente sehr kostspielig sein.

Die meisten Bildverarbeitungsunternehmen oder Distributoren von Bildsensoren bieten eine Vielzahl von Sensormodulen für verschiedene Kombinationen von Sensortyp und Datenkommunikationsprotokoll an. Bei der Entscheidung, ob Sie Ihr Bildverarbeitungssystem selbst bauen oder kaufen sollen, kann es sinnvoll sein, ein Standard-Sensormodul zu kaufen, wenn Sie den Sensor und die Optik für Ihr Design beschaffen.

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Datenkommunikationsprotokoll

Das von einem Bildverarbeitungssystem verwendete Datenkommunikationsprotokoll ist zwar keine greifbare Komponente, aber es beeinflusst die Auswahl der Komponenten bei der Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems.

Die am häufigsten verwendeten Kommunikationsprotokolle in Bildverarbeitungssystemen sind das Mobile Industry Processor Interface (MIPI) und das MIPI Cameral Serial Interface 2 und 3 (CSI-2 / CSI-3). MIPI ist ein schnelles serielles Protokoll, das sich für die Verwendung mit kurzen Flachbandsteckern eignet, aber es erfordert, dass sich Ihre optischen Komponenten, der Bildsensor und der Bildprozessor im selben Gehäuse befinden.

CSI-2 und CSI-3 sind aktualisierte Erweiterungen des MIPI-Standards speziell für die Bildverarbeitung. Diese Standards sind schneller als andere serielle Protokolle wie USB-3, unterstützen mehrere Kanäle und sind relativ kostengünstig zu implementieren.

Für Anwendungen wie die Automobilindustrie und die Robotik, wo Sie möglicherweise keinen Platz haben, um die Bildverarbeitungshardware dort zu installieren, wo sich der Bildprozessor befindet, wird häufig das Gigabit Multimedia Serial Link-Protokoll (GMSL) verwendet, da es die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Rohbilddaten über relativ große Entfernungen über ein kostengünstiges Koaxialkabel ermöglicht. Dieses Protokoll wird fast überall eingesetzt, z.B. bei Rückfahrkameras in Autos und Robotern mit mehreren Sensoren.

Ein neuer Standard für hochauflösende Bildsensoren ist SLVS-EC (scalable low-voltage signaling [with] embedded clock) von Sony. Dieses Protokoll könnte die beste Wahl für Bildverarbeitungssysteme sein, die eine extrem schnelle Datenübertragung benötigen.

Die Wahl des Datenkommunikationsprotokolls bestimmt die technischen Entscheidungen für die Komponenten Ihres Bildverarbeitungssystems, und zwar für jede Komponente zwischen dem Sensormodul und dem Bildprozessor. Die Wahl des Protokolls beeinflusst alles, von den verwendeten Treibern bis hin zur Art der Anschlüsse, die Sie auf der Leiterplatte montieren.

Wenn Sie sich entscheiden, Ihr eigenes Bildverarbeitungssystem zu bauen, suchen Sie nach Anbietern, die Module zur Unterstützung des von Ihnen gewählten Kommunikationsprotokolls anbieten können.

Bildprozessor-Adapter

Wenn Sie Ihre eigene eingebettete Bildverarbeitungshardware von Grund auf selbst entwickeln, können Sie die Rohbilddaten direkt vom Sensormodul an den Bildprozessor übertragen.

Wenn Sie sich jedoch dafür entscheiden, ein System zu entwickeln, das auf einem kleinen Bordcomputer wie dem Raspberry Pi oder einem eingebetteten Computer wie der NVIDIA Jetson-Serie basiert, ist ein Bildprozessor-Adapter eine unschätzbare Standardkomponente, die Ihre Aufgabe vereinfachen kann.

Bildprozessoradapter bieten eine Vielzahl von Eingängen für verschiedene Datenkommunikationsprotokolle, darunter MIPI, CSI-2 und SLVS-EC. Sie sind in der Regel so konzipiert, dass sie mit einer bestimmten Plattform kommunizieren, sei es ein eingebetteter Computer wie der NVIDIA Jetson Orrin oder ein FPGA (Field-Programmable Gate Array) wie der Xilinx Kintex.

Bildprozessor

Kein Bildverarbeitungssystem ist vollständig ohne eine Art Bildprozessor. Der Bildprozessor nimmt die Rohdaten vom Bildsensor entgegen, dekodiert sie, verarbeitet die Daten, um Farbkanaldaten zu erzeugen, und baut schließlich das Bild auf, das als Teil eines Videodatenstroms weiter kodiert werden kann. Der Bildprozessor wendet in der Regel ein Bildabstimmungsprofil auf die Rohdaten an, um die Helligkeit und Farbe des Bildes für die Kombination aus Sensor, Optik und Beleuchtung des jeweiligen Bildverarbeitungssystems zu korrigieren.

Selbst wenn Ihr Ziel darin besteht, Ihre eigene eingebettete Bildverarbeitungshardware zu entwickeln, werden Ihre Ingenieure wahrscheinlich nicht sofort mit der Entwicklung von Leiterplatten beginnen. Es gibt eine Vielzahl von Forschungs- und Entwicklungsplattformen und Entwickler-Kits, die von Bildverarbeitungsunternehmen und Distributoren von Bildkomponenten angeboten werden und die Sie als ersten Schritt zur Entwicklung Ihres eigenen Bildverarbeitungssystems verwenden können.

BAU ODER KAUF EINES BILDVERARBEITUNGSSYSTEMS

Die Entscheidung, ob Sie ein Bildverarbeitungssystem bauen oder kaufen sollen, kann entmutigend sein. Hier finden Sie eine Liste der Vorteile, die Sie bei jeder Option berücksichtigen sollten:

Vorteile des Kaufs eines Vision Systems

• Verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung, damit Sie eine Gelegenheit nutzen können
• Geringes Risiko bei der Produktentwicklung
• Sie können sich auf Ihren Mehrwert konzentrieren – Sie brauchen nur ein gutes Image
• Sie können Größenvorteile nutzen, um wettbewerbsfähiger zu sein.
• Kann mehrere Kameras auf einmal einbinden

Vorteile des Aufbaus eines Vision Systems

• Sie können ein tiefes Verständnis der Kamera/Bilderzeugung entwickeln und nutzen
• Vollständige Kontrolle über IP, eine größere Tiefe von IP in Ihrer Lösung
• Ihre individuelle Lösung ist für Ihre Konkurrenz schwerer zu kopieren
• Indem Sie nur das bauen, was benötigt wird, können Sie die Kosten senken und wettbewerbsfähiger sein.
• Sie kontrollieren die Qualität des Produkts

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SCHLUSSFOLGERUNG – EIN BILDVERARBEITUNGSSYSTEM BAUEN ODER KAUFEN

Es ist immer wichtig, wettbewerbsfähig zu sein und Ihr geistiges Eigentum zu besitzen. Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein, ein eigenes Bildverarbeitungssystem zu entwickeln.

Je nach Anwendung lassen sich Ihre Anforderungen vielleicht am besten mit einem eigenen, maßgeschneiderten Design erfüllen. Wenn Sie dieses Design so umsetzen können, dass Ihr Bildverarbeitungssystem für Ihre Konkurrenten nur schwer zu produzieren ist oder preiswerter ist als jede Lösung von der Stange, die Ihre Konkurrenten anbieten könnten, dann könnte die Entwicklung Ihres eigenen Bildverarbeitungssystems Sie auf den Weg zur Dominanz im Wettbewerb bringen. Wenn Sie Ihre Konkurrenten dazu zwingen können, ständig zu versuchen, aufzuholen, haben Sie gewonnen.

Der Aufbau Ihres eigenen Bildverarbeitungssystems erfordert langfristiges Denken. Der Zeitplan für Ihr Projekt muss mit der Rekrutierung der für den Bau des Systems erforderlichen Ingenieure beginnen und sich über die gesamte Lebensdauer des Produkts erstrecken. Sie müssen nicht nur ein Produkt entwickeln, sondern es auch unterstützen und Vorkehrungen für die Zeit nach dem Ende der Lebensdauer Ihres Bildverarbeitungssystems treffen.

Aber Sie müssen nicht das ganze Risiko auf sich nehmen. Sie können die Unterstützung von Bildverarbeitungsunternehmen und Lieferanten in Anspruch nehmen, um Ihr Bildverarbeitungssystem zu entwickeln und zu realisieren. Sie können die Kosten für die Entwicklung auslagern, indem Sie gängige Komponenten des Bildverarbeitungssystems wie Sensormodule oder optische Module kaufen, bei denen der Besitz des geistigen Eigentums keinen Wettbewerbsvorteil bringt.

Sie können Dienstleistungen von Drittanbietern wie die optische Ausrichtung nutzen, um die Betriebskosten zu senken, wenn eine Investition im eigenen Haus nicht sinnvoll ist. Sie können auch das Fachwissen von Vertragspartnern für Dienstleistungen wie Bildabstimmung nutzen, die für jedes von Ihnen entwickelte Produkt mehr oder weniger einmalig sind.

Die Entscheidung, ein eigenes Bildverarbeitungssystem zu entwickeln, kann entmutigend und risikobehaftet sein. Sie kann Ihnen aber auch einen bedeutenden Wettbewerbsvorteil und technologischen Vorsprung gegenüber Ihren Konkurrenten verschaffen.

Erfahren Sie, worauf Sie bei Ihrem Partner für die Entwicklung von Bildverarbeitungssystemen achten sollten.