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04.06.2020

Damit die Datenleitung nicht zum Nadelöhr wird

Geringere Datenraten ohne Einbußen bei der Datenqualität in einem kompakten, effizienten System: Diese Anforderungen an Machine-Vision-Systeme adressiert IDS Imaging mit den Embedded 3D-Kameras der Ensenso XR-Serie.

Besondere Schnelligkeit ist gefragt, wenn 3D-Kameras große Volumen oder mehrere Objektansichten prüfen. Stereokamerasysteme mit 5-MP-Sensoren liefern hierfür die idealen Ausgangsdaten, produzieren jedoch auch enorme Datenmengen. Dadurch können Schnittstellen und CPU-Leistung schnell zum Nadelöhr werden. 3D-Stereokameras wie die Ensenso X-Serie von IDS Imaging Development Systems GmbH, Obersulm, setzen auf hochauflösende 2D-Kameras mit Gigabit-Ethernet-Schnittstelle. Doch die Übertragung der 2D-Ausgangsdaten zum verarbeitenden IPC erfordert eine optimale Auslastung der Netzwerkbandbreite. Außerdem muss die Performance der verarbeitenden Industrie-PCs (IPCs) stetig mitwachsen.

Datenvolumen clever reduziert

Mit wechselbaren 2D-Kameras ist der flexible Aufbau der Ensenso XR-Serie nicht an bestimmte Datenschnittstellen und Sensorauflösungen gebunden und kann mit den Bedürfnissen weiter wachsen. Zudem erzeugen Ensenso-Kameras der XR-Serie Ergebnisse, die von anderen Systemen direkt weiterverwendet werden. Im Fall einer 3D-Kamera sind das dreidimensionale Koordinaten von Bildpunkten eines realen Objekts.

Durch ein in die Projektoreinheit integriertes SoC (System-on-Chip) führt die Kamera die 3D-Prozesse selbst aus. Nach Korrektur der Linsenverzerrung werden die 2D-Ausgangsbilder durch eine virtuelle Drehung der Kameras in ein achsparalleles Stereosystem überführt (Rektifikation), wodurch alle nachfolgenden Analysen stark erleichtert werden. Die Matching-Algorithmen für stehende bzw. bewegte Szenen durchsuchen anschließend die aufgenommenen Bildpaare nach korrespondierenden Bildpunkten. Für diese Bildpunkte ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Perspektiven der Kameras auch unterschiedliche horizontale Verschiebungen in der Bildebene, die man als Disparität bezeichnet. Durch die geometrischen Beziehungen im parallelen Stereosystem stellt diese Disparität nach Anwendung von Strahlensätzen und dem Wissen über bekannte Systemparameter, wie z.B. Brennweiten, Pixelgrößen und die Basislänge des Stereosystems, ein Maß für die Raumtiefe eines 3D-Punktes in Millimeter dar.

Vom IPC in die Kamera

Diese zeit- und rechenintensiven Pixeloperationen werden hochparallelisiert durch ein unterstützendes FPGA in der Kamera ausgeführt. Damit kann eine 3D-Datenrate realisiert werden, die vergleichbar ist mit der eines Ensenso X-Systems, das die Stereoanalyse auf einem Desktop-PC mit Intel Core i7 Quad-CPU ausführt.

Durch die Verlagerung der rechenintensiven Prozesse in die Kamera müssen diese nicht mehr von leistungsfähigen Industrie-PCs durchgeführt werden. Zudem reduziert die Übertragung von 3D-Ergebnisdaten anstelle der 2D-Rohdaten die Netzwerklast. Gerade Mehrkamerasysteme profitieren von der frühzeitigen Auswertung und gleichzeitige Datenreduzierung mit stabilen Ergebnisraten, weniger Rechenleistung der Peripherie-Komponenten.

Zur weiteren Reduzierung der Datenrate überträgt die Kamera nur die Disparity Map. Das 16-Bit 1-Kanalbild ist wesentlich kleiner als eine vollständige Punktwolke. Neben der kabelgebundenen Gigabit-Ethernet-Verbindung erlaubt eine zusätzliche WLAN-Schnittstelle den temporären Zugriff auf Daten und Parameter bei Einrichtung und Wartung. Im Einsatz unterstützt es bei der Kalibrierung der Arbeitsumgebung oder bei der Bildqualitätsverbesserung der 2D-Kamerabilder

Heiko Seitz

Unternehmensinformation

IDS - Imaging Development Systems GmbH

Dimbacher Str. 6-8
DE 74182 Obersulm
Tel.: 07134 96196-0
Fax: 07134 96196-99

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