Digitalkameras für die industrielle Bildverarbeitung Produktüberblick und Auswahlkriterien Jürgen Bretschneider, AVT 2013

Transkript

1 S E E I N G I S B E L I E V I N G Digitalkameras für die industrielle Bildverarbeitung Produktüberblick und Auswahlkriterien Jürgen Bretschneider, AVT 2013

2 Maschinen Augen verleihen Machine Vision Kameras besser als das menschliche Auge: genauer empfindlicher schneller zuverlässiger Bildverarbeitung optimiert Prozesse in: Industrie Medizintechnik Wissenschaft Verkehrsüberwachung Multimedia-Unterhaltung

3 Our Success-Story 1989 Gründung der M. Sticksel CCD-Kameratechnik GmbH 1996 Eröffnung einer eigenen Fertigung in Stadtroda bei Jena 2000 Übernahme durch die Augusta Technologie AG 2001 Umfirmierung zu Allied Vision Technologies; Eröffnung eines R&D-Centers in Ahrensburg bei Hamburg 2002 Einführung der Dolphin, erste Kamerafamilie aus eigener Entwicklung und Fertigung 2006 Eröffnung der Allied Vision Technologies, Inc. in Newburyport, MA (USA) 2008 Akquisition von Prosilica, Inc. in Burnaby, BC (Kanada) 2010 Umfirmierung der Prosilica, Inc. zu AVT Canada Inc. Eröffnung der Allied Vision Technologies Asia Pte. Ltd. in Singapur 2011 Akquisition und Integration der VDS Vosskühler GmbH in Osnabrück; Einstieg in den Infrarot-Bildverarbeitungsmarkt 2012 Eröffnung der Allied Vision Technologies (Shanghai) Co. Ltd. in Shanghai, China

4 Weltweite Präsenz Deutschland: Stadtroda, Ahrensburg Osnabrück Kanada: Burnaby, BC USA: Newburyport, MA China: Shanghai 7 Standorte Weltweit Vertriebspartner in über 30 Ländern Singapur

5 Leistungsstarke Digitalkameras Quality designed and made by AVT Eigene Entwicklung und Fertigung Eine der breitesten und vielseitigsten Produktpaletten am Markt Aktuellste digitale Technologie Sensorik für Sichtbares und unsichtbares Spektrum Hohe Auflösung, hohe Empfindlichkeit Smart Features zur Kamerasteuerung und Bildoptimierung Standardisierte Digitalschnittstellen

6 Die richtige Kamera für jede Anwendung Small & Easy: Mako Guppy PRO Smart & Modular: Stingray Manta High-Res & High-Performance: Bigeye Prosilica GT High-Speed: Bonito Prosilica GX Infrared: Goldeye Pearleye

7 AVT Produktüberblick Prosilica GE Erste GigE Kamera in Serienproduktion Prosilica GC kompakte Bauform kompaktes Format Sony Single Tap Sensoren CMOS Sensoren VGA bis4mp flexibel größte Sensorauswahl VGA bis 9.2MP Winkelkopfvarianten/ Platinenversion Prosilica GT großertemperaturbereich/ P-Iris Steuerung neuestesony und Truesense (Kodak) Sensoren 1MP bis 29MP Prosilica GX Dual GigE, 250 MB Bandbreite neuestesony und Truesense (Kodak) Sensoren 1MP to 29MP

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9 Produktmerkmale Sensoren: schnelle und empfindliche CCD und CMOS Sensoren mit bis zu 4 MP Auflösung Elektronik: GigE Vision Interface mitpoe 8-24V DC Stromversorgungüber Hirose oderpoe programmierbare I/O s: 1 x IN und 3 x OUT (optoentkoppelt) Smart Features: (GigE) Region of Interest (ROI) Readout Gain, Exposure, White Balance DSP subregion (auswählbare ROI für Auto Features) LUT Binning (nur CCD Kameras) Image hold Recorder mode(pre/post trigger recording) StreamBytesPerSecond (Bandbreitensteuerung) Event channel (Acquisition, Sync) Chunk data (z.b. Framecounter, Trigger - analog zu SIS- Daten bei 1394-Kameras) speicherbare user sets

10 Look-up Tabelle (LUT) Den Helligkeitswerten des Originalbildes werden entsprechend der Tabelle neue Helligkeitswerte zugewiesen Bilddatentransformationen (z.b. Gamma, Binarisierung, Invertierung) LUT: off Original Sensordaten LUT: Gamma 0.7 Verstärkung der dunklen Bereiche LUT: Contrast plus LUT Beispiel zur Kontrastverstärkung LUT: Inverted Invertierte LUT

11 Varianten des horizontalen und vertikalen Binnings Erhöhung der Empfindlichkeit der Kamera (nicht des Sensors!) bei gleichzeitiger geringerer Auflösung Subsampling 2 aus 4 (monochromer Sensor) 2 out of 4 H sub-sampling 2 out of 4 H+V sub-sampling

12 AVT Produktüberblick Prosilica GE Erste GigE Kamera in Serienproduktion Prosilica GC kompakte Bauform kompaktes Format Sony Single Tap Sensoren CMOS Sensoren VGA bis4mp flexibel größte Sensorauswahl VGA bis 9.2MP Winkelkopfvarianten/ Platinenversion Prosilica GT großertemperaturbereich/ P-Iris Steuerung neuestesony und Truesense (Kodak) Sensoren 1MP bis 29MP Prosilica GX Dual GigE, 250 MB Bandbreite neuestesony und Truesense (Kodak) Sensoren 1MP to 29MP

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14 December 2010 AVT Camera Portfolio Sony ExView HAD CCD II TM Multi-Tap-Sensoren

15 Produktmerkmale Sensoren: Elektronik: Bewährtesowieneueste Sony ExView HAD CCD II TM Multi-Tap-Sensorenund CMOS Sensorenmitbis zu9 MP Auflösung GigE Vision Interface, optional PoE 8 30 V DC Stromversorgungüber Hirose oderpoe programmierbare I/O s: 2 x IN und 2 x OUT (optoentkoppelt) Smart Features: (zusätzlich zu Mako) Video-type auto-iris Unterstützung 3 programmierbare LUT s(r,g,b), Gamma Binning/ Sub-Sampling (nicht Manta G-032B/C) Farbe: Hue/Saturation/ Sharpness, CCM Optionen: Board level Version (Kabellänge Sensorkopf: bis zu 20 cm) Winkelkopfversionen(siehe AVT-Modualkonzept) PoE

16 Manta G-145 B NIR Highlights: 3 x höhere NIR-Empfindlichkeit bei 900nm verglichen zum Manta Standard Model Exzellente Anti Blooming Unterdrückung Anwendungen: Solarzelleninspektion (z.b. Elektrolumineszenzprozesse) ITS/ Verkehr (z.b. automatische Nummernschilderkennung) Spektroskopie (z.b. Nahrungsmittelinspektion) relative response 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, wavelength [nm] Manta-G145B Manta-G145B NIR

17 AVT Produktüberblick Prosilica GE Erste GigE Kamera in Serienproduktion Prosilica GC kompakte Bauform kompaktes Format Sony Single Tap Sensoren CMOS Sensoren VGA bis4mp flexibel größte Sensorauswahl VGA bis 9.2MP Winkelkopfvarianten/ Platinenversion Prosilica GT großertemperaturbereich/ P-Iris Steuerung neuestesony und Truesense (Kodak) Sensoren 1MP bis 29MP Prosilica GX Dual GigE, 250 MB Bandbreite neuestesony und Truesense (Kodak) Sensoren 1MP to 29MP

18 December 2010 AVT Camera Portfolio

19 December 2010 GT large format(verfügbar Q2/2013)

20 Produktmerkmale Prosilica GT Sensoren: Elektronik: neueste Sony ExView HAD CCD II TM Multi-Tap-Sensoren, CMOS Sensorensowie hochauflösende Sensoren von Truesense mit bis zu 29 MP Auflösung GigE Vision Interface, mitpoe 7 25 V DC Stromversorgungüber Hirose oderpoe I/O s: 1 x IN und 2 x OUT (TTL u. optoentkoppelt) Betriebstemperaturbereich: C Smart Features: (zusätzlich zu Mako) Optionen: Auto-Iris (P-Iris und DC-Iris) Steuerung PTP IEEE1588 (Precision Time Protocol) Programmierbare LUTs (FW 1.52) Farbe: Hue/Saturation/ Sharpness Binning Interne Temperaturüberwachung Sequence mode (ab FW 1.52) Board level Version (Kabellänge Sensorkopf: bis zu 20 cm) Winkelkopfversionen(siehe AVT-Modualkonzept)

21 Precise Iris Control (P-Iris) P-Iris verfügt über einen Schrittmotor, die Position ist auslesbar. Die Blendenöffnungkannpräzise gesteuert u. gehaltenwerden. vorteilhaft bei Außenaufnahmen/ ständig veränderte Lichtbedingungen. Objektivhersteller stellen Tabellen mit der Schrittanzahl und dem zugehörigen Blendenwert F# für die Linsezur Verfügung.

22 PTP - Precision Time Protocol IEEE1588 PTP - IEEE1588 Netzwerkstandard, in GigE Vision 2.0 Standard. Taktsynchronisation mehrerer Geräte (Kameras, PC s, Sensoren) in einem Ethernet- Netzwerk (Softwaresynchronisation). Voraussetzung: Anschluß aller Geräte an einem Subnet (Port) über Switch. PTP wir aktivert mittels dem Kamera-Attribut PtpMode (PvAPI). Taktsynchronisation ermöglicht die Software-Triggerung mehrerer Kameras mit Mikrosekunden-Präzission. weitere Taktsynchronisationsmethoden: Network time protocol (NTP): Hohe Ungenauigkeit~ 10 ms Low-cost, meist benutzte Taktsynchronisationsmethode in Netzwerken Global Positioning System (GPS): Exzellente Genauigkeit ~ ns Für viele Geräte eine zu teuere Komponente

23 Sequencing Sequencing ermöglicht der Kamera die Änderung zahlreicher Einstellungen von Bild zu Bild ohne Unterstützung durch das Host-System. Ist eine vorkonfigurierte Tabelle mit Einstellparametern in der Kamera. MitjederBildaufnahmewirdeineZeile der Tabelle ausgeführtund anschließendzurnächstenzeile gesprungen. Die nächste Bildaufnahme wird durch die neuen Settings gesteuert.

24 Sequenz mit 4 verschiedenen Lichtquellen Coaxial illuminated Diffuse illuminated (white) Diffuse illuminated (IR) Flat angled illum. (blue)

25 Die richtige Kamera für jede Anwendung 1. Überblick- AVT Big Family Alle aktuellen AVT Kameras mit 1394-, GigE-,CL- und zukünftig USB3.0-Interface, ausgestattetmitccd-, CMOS und InGaAs Sensoren sowie thermische Sensoren (Mikrobolometer). 2. AVT s Online Camera Configurator Online Tool für die Kameraauswahl entsprechend der Kriterien: Auflösung(VGA 29 MP) bei voller Auflösung Interface (1394, GigE, CL, USB3.0) Sensorgröße (1/4 35 mm) Sensormodell (CCD, CMOS, InGaAS, Mikrobolometer) Empfindlichkeit(HDR, HSNR, ExView) Spektrum (sichtbar, NIR, SWIR, LWIR) Farbe / Monochrom

26 Erforderliche Sensorauflösung Sensorauflösung = Sichtfeld Auflösung pro Pixel 2 Die minimale Sensorauflösung ist abhängig von der Applikation - der Messaufgabe! Defekterkennung Objekterkennung Objektunterscheidung min. 2x2 Pixel min. 3x3 Pixel min. 5x5 Pixel Aufgabe: Für eine Inspektion von Kunststoffplatten 5 x 5 m auf einem Förderband mit 50 m/s sollen auf dem Material Fehler von mindestens 10 x 10 mm erkannt werden. Welche Sensorauflösung ist erforderlich? Lösung: Defekterkennung: min. 2 x 2 Pixel Auflösung von 5 x 5 mm min. Sensorauflösung: 5m/5 mm = 1000 Pixel (horizontal) 2. Bildfolgefrequenz (mind. 10 fps) und max. zulässige Bewegungsunschärfe (bei 50 mm/ msec) Anforderung an die Beleuchtung (Blitzbetrieb, homogene Ausleuchtung)

27 Frameraten (fps) der AVT Guppy PRO F-031 (CCD ICX618) als Funktion der AOI-Höhe max. 123 fps Anzahl Bytes/ Pixel der Mono- und Farbmodi: 1 Mono8, RAW8 1,5 YUV411, Mono12 und RAW12 2 YUV422, RAW16, Mono16 3 RGB

28 Frameraten (fps) der AVT Guppy PRO F-031 als Funktion der AOI-Höhe Die maximal erreichbare Framerate kann fürmodi mit größererbytetiefe/pixel (z.b. RGB8) je nach Bandbreite des digitalen Interfaces limitiert sein! Bei CCD s ist die Framerate nur von der AOI-Höhe abhängig, dagegen bei CMOS- Sensoren auch von der AOI-Breite.

29 Frameraten (fps) der AVT Guppy PRO F-503 (CMOS) als Funktion der AOI-Höhe und -Breite

30 Übersicht digitale Kameraschnittstellen Interface IEEE 1394b GigE GigE LAG USB 3.0 Camera Link Eigenschaften Video-Bandbreite 64MB/s (80%) Max. 125 MB/s Max. 250 MB/s Ca. 350 MB/s 250 MB/s (base) (max. Bitrate) 84 MB (AVT) 800 Mb/s 1 Gbit/s 2 Gbit/s Max. 5Gbit/s bis850 MB/s (10 Tap full) 6,12 Gb/s Max. Kabellänge (Kupferkabel ohne Repeater) 4,5-10 m Max. 100 m mit CAT5e oder CAT6 Max. 100 m mit CAT5e oder CAT6 3-8 m, 10 m und mehr mit aktiven Kabeln Max. ca. 15 m Stromversorgung über den Bus Über den Bus max. 1,5 A bis 36 V Keine (PoE optional) Keine (PoE optional) 5 V/ 4,5 W (900 ma) (PoCL optional) CPU-Last Sehr niedrig Mittel bis hoch (ohne Filtertreiber) Mittel bis hoch (ohne Filtertreiber) niedrig Sehr niedrig Kamerastandard IIDC (DCAM) GigE Vision GigE Vision USB 3 Vision Camera Link Max. Kameraanzahl pro Bus 64 (abh. von Anzahl der DMA-Kanäle) Nicht limitiert, abh. von verwendeter Hard-und Software Nicht limitiert, abh. von verwendeter Hard-und Software Max.127 (Limitierung durch Hostcontroller) 1 Anmerkung Paketsize zur exakte Bandbreitenaufteilung, SW-Synchronisation der Kameras an einem Bus StreamBytesPerSecond zur effizienten Bandbreitensteuerung, PTP für µs-genaue Synchronisation mehrer Kameras (NTP - ms) Umschaltbar auf einkanaligen Betrieb 125 MB/s Geringe Kosten - PC- Standard Hohe Kosten (Framegrabber + Kabel) Bilddatenrate (Byte/ Sekunde): =!"! #$% &!'"! #$% (ö)! &*"!"'!+! #,-)._0!1

31 ausgewählte Sensor- und Mount-Größen im Verhältnis zur Vidicon-Röhre

32 Sensoren für den sichtbaren Bereich CCD- und CMOS-Sensoren Vorteile CCD: hohe Bildqualität (geringe Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Pixeln niedriges Fixed Pattern Noise. typischerweise niedriges Ausleserauschen (Dunkelstrom). hoher Fill-Faktor (Verhältnis der photoempfindlichen Fläche zur gesamten Pixelfläche. moderne CCD s in Multi-Tap- Technologien n-fache Auslesegeschwindigkeit gegenüber Single-Tap-Geschwindigkeiten. Vorteile CMOS: im Vergleich zu CCD kein Blooming und Smear. hohe Dynamik (> 60 db), HDR- Mode Erfassen sehr kontrastreicher und extrem heller Objekte (z.b. Aufnahme von Schweißprozessen). geringere Leistungsaufnahme im Verhältnis zu CCDs. schnelleres und flexibles Auslesen durch direkte Adressierung der einzelnen Pixel.

33 CCD-Artifakte Blooming und Smearing Blooming: überfüllte Ladungen (> Full-Well- Kapazität) in den Pixelelementen. Übertrag überschüssiger Ladungsträger in benachbarte Pixel. Smear: Photonen, die während des Auslesevorgangs in die vertikalen Schieberegister gelangen und dort Ladungsträger generieren. Kurze Belichtungszeit in Bezug auf die Auslesezeit erhöht Smear. Spezialfall Dark Smear : Invertierung des Smear. Abhilfe: längere Belichtungszeit, Sensor mittels mechanischen oder LCD-Shutters nach der Belichtung abdunkeln, Blitzbeleuchtung einsetzen.

34 Sensoren für den IR-Bereich InGaAs-Sensoren und Mikrobolometer Spektrale Kennlinie progressive Scan InGaAs-Flächensensors spektrale Kennlinie Pearleye P-007 Mikrobolometer

35 High Dynamic Range Mode Einige CMOS Sensoren bieten eine spezielle Belichtungssteuerung, bei der Sättigungsgrad der Pixel geziehlt über Kniepunkte beeinflusst werden kann. Die Responsekurve ist zwischen den Kniepunkten linear u. die Belichtungszeit wird automatisch gesteuert.

36 HSNR-Mode (Pike, Stingray) High SNR Mode (HSNR-Mode): Aufnahme, Summation und Mittelung von n Bildern Reduzierung von Rauschanteilen (Photonen- u. Verstärkerrauschen) Standard Mode geringe Beleuchtungsintensitäten verursachen Bildrauschen resultierendes Bild: verbesserter Dynamikbereich & verbesserter Signal- Rauschabstand Die Framerate teilt sich um den Faktor n High SNR Mode bessere Bildqualität unter gleichen Beleuchtungsbedingungen

37 New Sony ExView HAD CCD II TM ICX 687 (2,8 MP), ICX 674 (2,8 MP), ICX 692 (0,95 MP), ICX694 (6 MP), ICX814 (9MP) Verbesserung der CCD Struktur Super HAD CCD II höhereempfindlichkeit(+6 db ) Verbesserter on-chip Farbfilter ErhöhteEmpfindlichkeitder kurzenwellenlängen(blue), homogenere spektrale Empfindlichkeitscharakteristik

38 Wellenlängenbereich von Sensoren innerhalb des elektromagnetischen Spektrums

39 BAYER-Interpolation 2x2 Matrix: 3x3 Matrix: optimitierte Konturenschärfe, Reduzierung von Farbsäumen Der Farbfilter auf dem Sensor bewirkt einen Auflösungsverlust in Abhängigkeit der verwendeten Beleuchtung (kontinuierliches Spektrum/ monochromatische blaue oder rote Beleuchtung).

40 AVT - Modulares Kamerakonzept In Ergänzung des umfangreichen AVT-Standardkamera-Portfolios sind in Abhängigkeit der Kamerafamilie nachfolgende Optionen erhältlich: Varianten des Objektivanschluss(CS- /C- /M12-Mount ) Winkelkopfvarianten Optische Filter Gehäuseoptionen Platinenversionen Kabelausgänge Vorteile: vermeidet zusätzlichen Entwicklungsaufwand kostengünstig kurzfristig verfügbar Zur Vergrößerung bitte Bild anklicken AVT Modularkonzept Zusätzlich bietet AVT kundenspezifische Kameralösungen - Kameramodifikationen und OEM- Entwicklungen

41 AVT Modularkonzept

42 Anwendungsbeispiele Industrielle Inspektion Gesundheit & Medizin Wissenschaft & Umwelt Sicherheit & Verkehr Multimedia & Unterhaltung Ziemann & Urban Qualitätsprüfung von Armaturenträgerrahmen (BMW Group) Carl Zeiss Meditec Ophthalmologische Untersuchungsgeräte NASA Astronaut-Roboter Robonaut 2 (ISS) Kria Radarfreie Geschwindigkeitskontrolle Forever 21/space150 Interaktives Werbedisplay auf Times Square, New-York. Informationen zu weiteren Applikationen finden Sie unter:

43 Bleiben Sie im Kontakt! Allied Vision Technologies GmbH Taschenweg 2a Stadtroda, Germany Tel.: / Fax: / info@alliedvisiontec.com