Vereinfachen Sie die Integration von Kameras für industrielle Anwendungen

Kameras sind in modernen industriellen Anwendungen unverzichtbar geworden. In vielen Fällen unterstützen und ermöglichen intelligente Bildverarbeitungssysteme sogar bestimmte Anwendungen. Sie erkennen und erfassen Hindernisse, erkennen Objekte und kartieren sie. Sie sind in Autos, in der Intralogistik, in autonomen mobilen Robotern und in Drohnen zu finden. Dank des technologischen Fortschritts sind die Komponenten von Bildverarbeitungssystemen kleiner, erschwinglicher und für eine breite Palette von Anwendungen zugänglich geworden.

Eine Anwendung mit Bildverarbeitungsfunktionen auszustatten, kann äußerst komplex sein, aber in vielen Fällen ist es einfacher, als Sie vielleicht denken. Es gibt ein paar wichtige Dinge, die Sie beachten sollten. In unserem Artikel erklären wir Ihnen, was Sie wissen müssen, um mit Ihrer Anwendung loslegen zu können.

Embedded Vision Anwendungen

Eingebettete Bildverarbeitungsanwendungen verbreiten sich rasant in einer Vielzahl von Branchen, die alle die Technologie nutzen, um einzigartige Herausforderungen zu bewältigen und neue Möglichkeiten zu erschließen. In der Fertigung spielen eingebettete Bildverarbeitungssysteme eine entscheidende Rolle bei der Qualitätskontrolle, der Automatisierung von Fließbändern und der Inspektion. Sie liefern detaillierte Analysen und Einblicke, die die Effizienz und Genauigkeit steigern.

Der Gesundheitssektor profitiert von eingebetteter Bildverarbeitung durch fortschrittliche medizinische Bildgebung, Patientenüberwachung und Diagnosetools, die alle zu einer verbesserten Patientenversorgung und besseren Ergebnissen beitragen. Im Transportwesen ist die eingebettete Bildverarbeitung das Herzstück autonomer Fahrzeuge, die ihre Umgebung wahrnehmen und während der Fahrt fundierte Entscheidungen treffen können. Mit der weiteren Entwicklung eingebetteter Bildverarbeitungssysteme wird ihre Fähigkeit, verwertbare Erkenntnisse zu liefern und die Systemleistung zu verbessern, weiter zunehmen und den Weg für noch mehr innovative Anwendungen in der Zukunft ebnen.

Herausforderungen bei der Kameraintegration

Um einem Bildverarbeitungssystem Fähigkeiten zu verleihen, brauchen Sie ein gutes Verständnis der Anwendung, die Sie erstellen. Die beiden Schlüsselfragen dabei sind: Welches Ergebnis möchten Sie erreichen und welche Faktoren spielen dabei eine Rolle? Die Erstellung hochauflösender Bilder für Luftaufnahmen erfordert von einem Kamerasystem andere Fähigkeiten und Eigenschaften als die Messung von Füllständen in einer dunklen Fabrikhalle. Thermische und mechanische Einflüsse müssen berücksichtigt werden und die gewünschten Bildergebnisse müssen klar definiert sein. Während einige Anwendungen mit einer relativ geringen Auflösung von 2 bis 3 Megapixeln auskommen, erfordern Anwendungen in der Qualitätskontrolle, wie z.B. die Oberflächeninspektion von Wafern, die „letzten paar Prozent“ an Leistung von einem Kamerasystem. Dies ist die Anwendungsseite des Anforderungsprofils für die Kameraintegration.

Die Hardwareseite hingegen sieht wie folgt aus: Ein Kamerasystem besteht aus ein paar Komponenten. Zunächst benötigen Sie einen Bildsensor, ein geeignetes Objektiv, Steuerplatinen, Verkabelung und entsprechende Treiber oder Software. Bildsensoren werden normalerweise direkt auf einer Platine integriert und für industrielle Zwecke angeboten. Dies nennt man ein Kameramodul. Die Steuerlogik für den Sensor befindet sich auf der Platine. Häufig werden energieeffiziente Steuergeräte wie ESP32 verwendet.

Diese können mit dem entsprechenden Code geflasht werden. Für anspruchsvolle industrielle Anwendungen gibt es aber auch leistungsstarke System-on-Module (SOM) wie die von NVIDIA und AMD (ehemals Xilinx) mit für spezielle Anwendungen entwickelten System-on-Chips (SOC) wie die von NXP, die leistungsstarke Bildsensoren wie die von Sony optimal integrieren. Es gibt eine große Auswahl an SOMs, SOCs, Adapterboards, Verkabelungsoptionen und Software-Stacks. Das ist dringend notwendig, denn die Auswahl ist so groß wie die Bandbreite der Anwendungen.

In vielen Fällen fungiert das Kamerasystem als ein Gerät, das sowohl die Bilderfassung als auch die Bildverarbeitung in einer kompakten Einheit integriert und so eine Miniaturisierung und anwendungsspezifische Anpassung ermöglicht. Ein eingebettetes Bildverarbeitungssystem kombiniert Hardware und Software, um Bilder in einem einzigen Gerät zu erfassen, zu verarbeiten und zu analysieren, und bietet damit Flexibilität und transformatives Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen.

Bei der Diskussion über die Steuerlogik und die SOMs ist es wichtig zu beachten, dass das FPGA-Design eine Schlüsselrolle bei der Erzielung niedriger Latenzzeiten und der Unterstützung fortschrittlicher Anwendungen wie Bildverarbeitung und Deep Learning spielt. Es gibt eine große Auswahl an SOMs, SOCs, Adapterplatinen, Verkabelungsoptionen und Software-Stacks, was auch dringend notwendig ist, denn die Auswahl ist so groß wie die Bandbreite der Anwendungen. Die Bildverarbeitung ist für die Interpretation visueller Daten für Echtzeitanwendungen unerlässlich und ermöglicht intelligente und reaktionsschnelle eingebettete Bildverarbeitungssysteme.

Planung der Kameraintegration zur Kontrolle von Umwelteinflüssen

Nehmen wir an, dass eine Kamera in ein Auto integriert und als Rückfahrkamera verwendet werden soll: Bei der Planung der Kameraintegration ist es wichtig, klare Ziele zu setzen, um sicherzustellen, dass alle Anforderungen erfüllt werden und das System mit den beabsichtigten Zielen übereinstimmt. Das Kamerasystem muss sowohl bei Tag als auch bei Nacht mit gleichbleibend guter Leistung funktionieren und relativ hohen Temperaturen und Vibrationen standhalten. Darüber hinaus sollte die Kamera hochauflösende Bilddaten in Echtzeit liefern, die von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) verarbeitet (z. B. zur Hinderniserkennung) und dann an einen Domain Controller oder den Fahrzeugcomputer weitergeleitet werden.

Dies erfordert einen Bildsensor mit einem hohen Dynamikbereich, um große Helligkeitsunterschiede adäquat zu erfassen, sowie ein leistungsfähiges SOM, das idealerweise für Automobilanwendungen ausgelegt und im Optimalfall vorzertifiziert ist. Das Kamerasystem muss korrekt fokussiert sein, und thermische Einflüsse dürfen das Bildergebnis nicht verfälschen. Auch Schock- und Vibrationseinflüsse müssen berücksichtigt werden. Besteht zudem eine große Entfernung zwischen dem Steuergerät bzw. Fahrzeugcomputer und der Kamera im Auto, muss eine entsprechende Verkabelung vorhanden sein und bei hohem Datenaufkommen muss nicht nur das oben erwähnte SOM mithalten können, sondern auch eine geeignete, leistungsfähige Datenschnittstelle vorhanden sein.

Während der Systemvalidierung und der Leistungsüberprüfung müssen Sie unbedingt Maßnahmen ergreifen, um die Systemsicherheit zu überprüfen und alle relevanten Protokolle vor dem Einsatz zu kontrollieren.

Umfassendes modulares System für perfekte Integration

Heutzutage gibt es geeignete Komponenten, um all diese Hürden zu überwinden. FRAMOS bietet ein komplettes, optimal abgestimmtes Ökosystem, das für jede denkbare Anwendung ideal geeignet ist.

Ein Bausatz für dieses modulare System, bekannt als FSM:Ecosystem, besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten:

• FRAMOS Sensor-Modul (FSM): Gelöteter Bildsensor und Optik
• FRAMOS Sensor Adapter (FSA): Adapterkarte für die Datenschnittstelle
• FRAMOS Funktionsadapter (FFA): Adapterplatine für Anschluss oder Verkabelung
• FRAMOS-Prozessor-Adapter (FPA): Adapterplatine für die Zielplattform
• Die in dieses Ökosystem integrierten Bildsensormodule sind für die Kompatibilität mit einer breiten Palette von Prozessoren ausgelegt und eignen sich daher ideal für Edge AI- und Computer Vision-Anwendungen in verschiedenen Branchen.

Die Embedded-Vision-Kameras in diesem Ökosystem sind für die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Prozessoren ausgelegt und eignen sich daher ideal für KI- und Computer-Vision-Anwendungen in verschiedenen Branchen.

Darüber hinaus gibt es passende Objektive, Treiber und Referenzanwendungen für einen einfachen Einstieg in die Entwicklung. Ein denkbares Kit könnte also aus einem hochauflösenden Bildsensor oder Bildsensormodul mit einem FSA bestehen, der die für hohe Datenübertragungskapazitäten ausgelegte Datenschnittstelle SVLS-EC unterstützt. Um die mögliche Entfernung von 7 Metern in einem Auto zu überbrücken, würden FFAs verwendet, die GMSL über Koaxialkabel unterstützen, was Kabellängen von bis zu 15 Metern ermöglicht, sowie ein FPA als Zwischenglied zu einem geeigneten Hochleistungs-SOM wie etwa aus der UltraScale-Serie von AMD (oder Xilinx).

Die Flexibilität und Modularität dieses Systems ermöglicht es Entwicklern, sich schnell an neue Anforderungen anzupassen und das transformative Potenzial der Embedded Vision Technologie zu erschließen.

Integrieren ist einfach – dank der Möglichkeiten von FRAMOS

Neben der richtigen Hardware sind auch eine Reihe von Fähigkeiten erforderlich, um optimale Bildergebnisse zu erzielen. Um beim Beispiel Auto zu bleiben, müssen thermische Einflüsse minimiert werden und die Objektive müssen so montiert werden, dass sie dauerhaft stoß- und vibrationsfest sind. Darüber hinaus ist die Fokussierung des Objektivs entscheidend für eine ausreichend gute Bildauflösung. Für optimale Bildergebnisse muss auch der Bildsignalprozessor (ISP) abgestimmt und das Kamerasystem kalibriert und getestet werden.

Bei der ISP-Abstimmung werden die Kamerasysteme unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen getestet und für diese Bedingungen optimal konfiguriert. Diese Leistungen sind in der Regel sehr komplex, weshalb sie in der Regel von Bildgebungsexperten oder Bildgebungslabors durchgeführt werden. Um ein markantes Beispiel zu nennen: Die nahezu kippfreie Integration der Optik ist ein hochsensibler Prozess. Schon geringe Abweichungen führen zu suboptimalen Bildergebnissen.

Das Problem verschärft sich, je größer der Bildsensor ist. Manche Anwendungen erfordern jedoch die maximale Leistung eines Kamerasystems. Dieser Prozess der Einstellung der Optik wird dann von einer Maschine durchgeführt. Das ist mit aktiver Ausrichtung gemeint. Dies ist jedoch nicht immer notwendig. Für manche Anwendungen reichen Ergebnisse aus, die keine extreme Auflösung erfordern, zum Beispiel bei der Messung von Füllständen in Flaschen.

Fortschrittliche Integrationsmöglichkeiten sorgen für zuverlässige Leistung und Produktdifferenzierung.

Lernen durch Handeln: Ingenieure integrieren die Kamera selbst

Der einfachste Weg, sich mit der Kameraintegration vertraut zu machen, ist die Bestellung eines Dev-Kits, um die Fähigkeiten eines Bildsensors oder eines Kamerasystems zu testen. Dies ermöglicht Ihnen die schnelle Entwicklung von Prototypen. Sobald ein geeignetes Prototypsystem entwickelt ist, kann FRAMOS Ihnen helfen, es zu optimieren und in die Serienproduktion zu bringen. Gerade für kleine und mittlere Unternehmen bietet FRAMOS intelligente Lösungen, um hohe Qualitätsstandards zu erreichen, die sonst nur in der Großserienfertigung möglich sind. Ein Hebel ist FSM:GO.

FRAMOS hat diese Serie von optischen Sensormodulen für die schnelle Entwicklung von Prototypen entwickelt. Sie verfügt über eine überschaubare Auswahl an geeigneten Objektiven und FSM:GO ist so konzipiert, dass bestimmte Schritte im Integrationsprozess entfallen. So lässt sich mit FSM:GO beispielsweise die Zeit für die Fokussierung der Objektive erheblich reduzieren. Die Auswahl der FSM:GO-Module bietet einen Referenzrahmen, in dem bestimmte Anwendungen optimal funktionieren.

Bewährte Praktiken für Embedded Vision

Die erfolgreiche Implementierung von eingebetteten Bildverarbeitungssystemen erfordert eine sorgfältige Planung und die Einhaltung bewährter Verfahren. Ingenieure sollten mit der Auswahl von Hardware- und Softwarekomponenten – wie Kameras, Prozessoren und Algorithmen – beginnen, die speziell für die Anforderungen der Anwendung in Bezug auf Stromverbrauch, Auflösung und Konformität entwickelt wurden.

Die enge Zusammenarbeit mit Branchenexperten und Forschern stellt sicher, dass das System auf die Bedürfnisse des Endanwenders zugeschnitten ist und die neuesten Fortschritte in der Embedded Vision Technologie nutzt. Außerdem ist es wichtig, die Systemleistung regelmäßig durch strenge Tests und Bewertungen zu überprüfen und bei Bedarf Anpassungen vorzunehmen, um eine optimale Funktionalität zu gewährleisten. Wenn sich Unternehmen auf diese Best Practices konzentrieren, können sie Embedded Vision Systeme entwickeln, die ihre betrieblichen Anforderungen nicht nur erfüllen, sondern sogar übertreffen und so einen klaren Vorteil in den heutigen schnelllebigen, technologiegetriebenen Märkten bieten.

Fazit

Um eine Kamera einfach in ein eingebettetes System zu integrieren, müssen Sie genau wissen, welche Bildergebnisse benötigt werden und in welcher Art von Umgebung das Kamerasystem eingesetzt werden soll. Geeignete Komponenten für den Bau und die Integration der Kamera gibt es für praktisch jede Anwendung.

Der einfachste und schnellste Weg, eine Hochleistungskamera zu integrieren, ist ein vorgefertigtes System wie die optischen Sensormodule der FSM:GO-Serie. Für eine noch präzisere Anpassung sind auch die passenden Komponenten erhältlich.