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    Kamera

    Das Auge des Inspektionssystems

Elektr. Auslese-Funktionen

 

Frameraten

Die Framerate (fps= frames per second; Bilder/sec) gibt an, wie viele Bilder maximal von der Kamera elektronisch auslesen werden können. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Belichtungszeit entsprechend kurz ist.

Besonders CCD-Sensoren können nicht beliebig schnell ausgelesen werden. Da alle Bildinformationen über einen zentralen A/D-Baustein digitalisiert werden, werden hier sehr hohe Anforderungen an die Elektronik gestellt. Der Pixelclock beträgt bei modernen CCD-Sensoren bis 20 bis 75 MHz. Noch höhere Frameraten werden bei CCD-Sensoren nur durch das parallele Auslesen von zwei oder vier Sensorbereichen (Taps) erreicht. Bekannt für besonders hohe Frameraten sind CCD-Kameras mit TrueSense (Kodak)-Sensoren (KAI 340,KAI 1020, KAI 1050, KAI 2050 etc.)

Extrem hohe Frameraten können mit CMOS-Kameras erzielt werden, da dort die Pixel nicht mit Hilfe eines zentralen A/D-Wandlers, sondern mit 3 bis 5 Kondensatoren um das einzelne Bild-Pixel herum direkt ausgelesen und verstärkt werden. Die Framerate der Kamera ist hier theoretisch um ein Vielfaches höher.

 

Interlaced / Non interlaced-Bilder

Analoge Monochrom-Kameras, die nach dem nach der TV-Norm RS170 oder CCIR arbeiten, sowie Farb-Kameras nach dem NTSC- oder PAL-Standard erzeugen keine Vollbild-Aufnahmen. Dieses Verfahren, nach dem "klassisches Fernsehbilder" übertragen werden, beruht auf der Übertragung von zwei Halbbildern. So werden im ersten Halbbild die ungeraden, im zweiten Halbbild die geraden Bildzeilen aufgenommen und übertragen. Zur Synchronisierung werden zusätzlich vertikale und horizontale Sync-Signale übertragen, aus denen die Abfolge der Zeilen und Halbbilder erkennbar ist. Bei einer Interlaced-Kamera werden nicht nur die Bilder in zwei Hälften übertragen, sondern auch ebenso aus dem Sensor ausgelesen.

Interlaced Readout

Interlaced Readout

Kamerabild ist streifenförmig verwackelt (bitte zoomen!). Das zeitversetzte Auslesen von zwei Halbbildern erzeugt Bildstreifen Zeile für Zeile.
Progressive Scan

Progressive Scan

Bild erscheint auch bei Bewegung normal und scharf. (Kurze Belichtungszeit mit angepasster Bildhelligkeit)

Wird während der Interlaced-Bildaufnahme die Kamera bewegt, so entstehen zusätzlich zur Bewegungsunschärfe außerdem typische Bildstreifen (Kammeffekt), da die zwei Halbbilder zeitlich zueinander versetzt aufgenommen wurden und unterschiedliche Bildinformationen beinhalten.

Das Interlaced-Bildaufnahme- und Übertragungsverfahren wird bei den heutigen digitalen Industrie-Kameras wie intelligenten Kamerasystemen im Normalfall nicht mehr benutzt. Allerdings sind heute noch eine Vielzahl bestehender BV-Applikationen mit Interlaced-Kameras in TV-Auflösung im Einsatz.

Moderne "Progressive scan"-Industriekameras (auch viele analoge Kameras!) liefern dem Anwender Vollbilder, die zur selben Zeit aufgenommen und übertragen werden. Diese zeigen bei schneller Objektbewegung höchstens Effekte der Bewegungsunschärfe. Die dazu  benötigte Belichtungszeit zur Vermeidung dieses Effektes können Sie mit Hilfe eines Online-Assistenten berechnen.

 

CCD- oder CMOS-Kameras mit  Global Shutter

Moderne CCD-Sensoren und manche CMOS-Sensoren können zeitgleich alle Pixel belichten und dann auslesen. Man spricht dabei von einem "global shutter" (Kamera-Verschluss), der hier aber nicht mehr mechanisch, sondern "elektronisch" funktioniert.

Das Funktionsprinzip des elektronisches globalen "Shutters" ist das heute am weitesten verbreitete Verfahren bei CCD-Sensoren. Bei Sensoren mit elektronischem global shutter erfolgt ein zeitgleiches Entleeren aller Pixel-Ladungen. Das Bild wird bei diesen so genannten "Interlaced Transfer CCD-Sensoren" zeitgleich aufgenommen, in zusätzlichen unbelichteten Zeilen zwischen den eigentlichen Pixelzeilen zwischengepuffert und danach nach Pixel für Pixel ausgelesen. Auch bei CMOS-Sensoren wird mit Hilfe zusätzlicher Transistoren die Helligkeits-Information zwischengespeichert, um dann Stück für Stück den Sensor auszulesen.

Das dabei aufgenommene Bild erscheint dadurch als Stand- wie Bewegtbild scharf, falls die Belichtungszeit kurz genug war. Ist dies nicht der Fall, kommt es bei zu langer Integrationszeit und gleichzeitiger Bewegung von Kamera oder Objekt zu einer Verwischung der Bildinformation. Die benötigte Belichtungszeit für scharfe Bilder lässt sich ganz einfach berechnen.

Global Shutter Standbild

Global Shutter Standbild

Bild erscheint normal und innerhalb der fokussierten Bildebene scharf. Bei kurzer Belichtungszeit sieht so auch das Bewegtbild aus.
Global Shutter Bewegtbild

Global Shutter Bewegtbild

(long time exposure) Kamerabild zeigt Bewegungsunschärfe. Während einer längeren Belichtung wurde das Objekt bewegt. Die Objektinformation wurde dabei über mehrere Pixel in Bewegungsrichtung verschmiert.

 

 

CMOS-Kameras mit Rolling Shutter

Ein vereinfachtes, preiswertes Verfahren zum Auslesen des CMOS-Sensors ist das "Rolling Shutter"-Prinzip. Der Sensor wird dabei Zeile für Zeile nacheinander von oben nach unten ausgelesen und ebenso kontinuierlich neu belichtet, da die Pixelinformationen nirgendwo auf CMOS-Sensor zwischengespeichert werden können. Neben einem geringeren Fertigungsaufwand kann die Bildqualität bei Rolling Shutter-Sensorsen etas besser als bei global shutter CMOS-Sensoren sein, da mehr lichtaktive Fläche für die sensitiven Pixel zur Verfügung steht.

Kameras mit Rolling Shutter können daher keine  Bewegtaufnahmen erfassen, wenn nicht zur Belichtung extrem kurz geblitzt wird. Typische Bild-Effekte im Bild ist das Verschieben von Bildkanten  quer zur Bewegungsrichtung. In unteren rechten Bild-Beispiel war die Kamera zu Beginn noch unbewegt (Stativstange noch senkrecht und scharf), danach wird das Bild verschoben und aufgrund von zu langer Belichtungszeit durch Bewegungsunschärfe zusätzlich verwischt.

Rolling Shutter Standbild

Rolling Shutter Standbild

Bild erscheint normal.
Rolling Shutter Bewegtbild

Rolling Shutter Bewegtbild

Kamerabild wird Zeile für Zeile zeitlich versetzt ausgelesen. Kameraschwenk führt zur Verschiebung der Objektkanten.

Beim  rechten Bild-Beispiel war die Kamera zu Beginn noch unbewegt (Stativstange noch senkrecht und scharf), danach wird das Bild bei Kamerabewegung zeilenweise kontinuierlich diagonal verschoben und aufgrund von zu langer Belichtungszeit durch Bewegungsunschärfe innerhalb einer Bildzeile zusätzlich verwischt.

 

Partial Scan

In diesem Kamera-Mode wird nur ein Teilbild des Sensors ausgelesen. Dies kann manchmal nur ein Bildstreifen sein (zum Beispiel ein halbes, viertel oder achtel Bild) oder manchmal ein frei wählbarer Bildausschnitt. Durch die Erfassung eines Teilbildes geringerer Größe kann so die Kamera mehr Bilder pro Sekunde erfassen, ohne dass die maximale Datenrate des Geräts überschritten wird. Je nach Ausleseverfahren beschleunigt sich die Bildrate prozentual zur gesamten Flächenverkleinerung.

Vollbild-Aufnahme

Vollbild-Aufnahme

Kamera-Sensor wird komplett ausgelesen.
Teilbild-Aufnahme

Teilbild-Aufnahme

Vom Sensor wird im partial scan modus nur ein Teilbereich ausgelesen und übertragen. Framerate der Kamera steigt an.

Bei vielen CCD-Sensoren ist jedoch relevant, wieviele ganze Zeilen gesendet werden, da diese komplett ausgelesen werden müssen. Ein Weglassen von Pixeln rechts und links in einer Zeile bringt dann keinen Geschwindigkeitsvorteil für die Bildwiederholrate.

CMOS-Kameras sind von diesen Einschränkungen typischerweise nicht betroffen. Da jedes Pixel von seinen eigenen Signalwandler umgeben ist, sind diese Sensoren extrem schnell simultan auslesbar. Im Luxusfall ist sogar ein Multi-Fenster-Auslesen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten etc. möglich.

 

Binning

Wird eine Kamera in einem Binning-Mode betrieben, so werden  benachbarte Pixel als Signal zusammenaddiert und  übertragen. Ein Binning der Pixel kann horizontal, vertikal oder in beide Richtungen erfolgen.

Bsp: Kein Binning, Y-Binning, X+Y-Binning

Bild ohne Binning

Bild ohne Binning

Volle Auflösung ohne Binning. Bild ist aber stellenweise zu dunkel für dieSoftware- Auswertung.
Binning in eine Richtung

Binning in eine Richtung

Kamera-Empfindlichkeit verdoppelt, Bild hat aber in Y-Richtung nur noch die halbe Auflösung.
Binning in X und Y

Binning in X und Y

Auflösung in jede Richtung halbiert, aus vier Pixeln wird ein neues errechnet. Vierfache Empfindlichkeit des Sensors.

Dadurch reduziert sich zwar die effektive Auflösung der Kamera, erzielt aber durch das Zusammenfassen der Pixelinformationen eine erhöhte Empfindlichkeit und einen erhöhten Signal-Rausch-Abstand. Gerade in sehr lichtschwachen Anwendungen kann dies ein großer Vorteil sein. Achtung: 1-Chip-Farbkameras mit Bayer-Sensorfilter können nicht einfach direkte Pixel-Nachbarn binnen, ohne unerwünschte Nebeneffekte bei der Farbinformation zu erzielen, da ein beliebig benachbartes Pixel eine andere Farbe aufweist. Ein monochrom übertragenes Bayer-Rohbild einer 1-Chip-Farbkamera wird sogar zerstört.

 

Multi Taps

Sensoren mit besonders hoher Auflösung, wie zum Beispiel Zeilenkamera-Sensoren, aber auch spezielle Flächenkamera-Sensoren können zum beschleunigten Auslesen mehrfach "angezapft" werden. Die Signale werden dann über zwei oder mehrere verschiedene A/D-Wandler ausgewertet und separat übertragen.

Multi Taps CCD-Sensoren (Zeilenkamera)

 

Besonders bei CCD-Kameras kann so die Bildfrequenz gesteigert werden. Bitte unbedingt Hellbild- und Dunkelbild-Kalibrierung vornehmen, da kein A/D-Wandler wirklich identisch ist. Ohne Abgleich würde man im Bild deutlich eine Grauton-Kante zwischen den einzelnen Auslesezonen erkennen.

CMOS-Sensoren sind extremst "multi-getapt". Hier wird jedes Pixel direkt ausgelesen, daher können besonders hohe Frameraten erzielt werden. Aufgrund dieser vielen Signalwandler ist die Uniformität der Bilder allerdings nicht so hoch wie bei beim CCD-Sensor, der meist nur einkanalig, selten auch mehrkanalig ausgelesen wird.

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