Auswahl von Komponenten für OEM Kameras. Göttinger Messtechniksymposium,

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1 Auswahl von Komponenten für OEM Kameras Göttinger Messtechniksymposium,

2 Beleuchtung Ist die Beleuchtung ein entscheidender Faktor für das gesamte Bildverarbeitungssystem? Bei der Beleuchtung verlorene Kontraste und Intensitäten können in den nachfolgenden Schritten der Bildverarbeitungskette nicht wieder gewonnen werden! Beleuchtung: LED rot Beleuchtung: LED grün

3 Beleuchtung Typen der Beleuchtung: -Sonne -klassische Leuchtmittel / Kaltlichtquellen -Blitzlampen -LED -Laser

4 Beleuchtung Sonne: - stark schwankende Intensitäten - schwankende spektrale Eigenschaften - nicht kontrollierbar - sehr hohe Kontraste innerhalb einer Szene => in vielen Anwendungen ist das Sonnenlicht eine Störgröße

5 Beleuchtung klassische Leuchtmittel / Kaltlichtquellen - schwankende Intensitäten bei Betrieb mit Wechselspannung z.t. Helligkeitsunterschiede im Bild schwankende spektrale Eigenschaften => in vielen Anwendungen ist diese Beleuchtung eher eine Störgröße

6 Beleuchtung LED - verschiedenste Wellenlängen / Spektren verfügbar - anordbar - z.t. blitzbar (Überstrom) - Hochleistungs-LEDs z.t. nicht augensicher - geringe Leistungsaufnahmen - hohe Langlebigkeit / Langzeitstabilität - geringer Preis

7 Beleuchtung Laser - kohärentes Licht - gute Strahlformbarkeit - geeignet für strukturierte Beleuchtung (z.b. Gitter) - hohe Leistungen verfügbar - Augensicherheit ist zu beachten - meist teurer im Vergleich zu LEDs Quelle:

8 Beleuchtung Quelle:

9 Optik Bauarten - Pinhole einfache, sehr kostengünstige Anwendungen - M42 (T-Mount) wissenschaftliche Anwendungen - F-Mount wissenschaftliche Anwendungen - C/CS-Mount wissenschaftliche und industrielle Anwendungen - M12-Mount industrielle und kostengünstige Anwendungen - M8-Mount industrielle und kostengünstige Anwendungen

10 Optik zusätzliche Features - variabler Fokus - mechanisch - elektromechanisch - Flüssiglinse - variable Blende - mechanisch - elektromechanisch Quelle: Quelle:

11 Optik Auswahlkriterien - Sichtfeld bei gegebener Sensorgröße - Abbildungsmaßstab - Tiefenschärfe - Auflösung - Telezentizität - Baugröße - Gewicht - Preis - Lieferfähigkeit

12 Bildsensoren Sensorgrößen / Auflösungen - Typ. Sensorgrößen zwischen 1/10 und 1 - Typ. Auflösungen zwischen CIF und 14MPixel - Typ. Pixelgröße zwischen 1,7µm und 10µm

13 Bildsensoren Color Filter Arrays - Kein (monochrom) - RGB - CMY (Komplementär-Farben) - Sonderformen Quelle: wikipedia Andere Ansätze - 3-Sensoren - Foveon Quelle: wikipedia Quelle: Foveon

14 Bildsensoren CCD (Charge Coupled Device) - generierte Ladung wird separat in jedem Pixel gesammelt - zum Auslesen wird die Ladung geschoben - am Ausgang steht analoges Ladungssignal zur Verfügung - weitere Komponenten - CDS - Horz. / Vert. Ansteuerung - Verstärker - ADU Quelle: wikipedia

15 Bildsensoren CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) - generierte Ladung wird separat in jedem Pixel gesammelt - die Umwandlung in eine analoge Spannung erfolgt direkt in jedem Pixel (Fotodiode) - Auswahl von auszulesender Zeile / Spalte möglich - Umsetzung in digitales Ausgangssignal direkt im Sensor - kein Blooming / Smear Quelle: Aptina

16 Bildsensoren CMOS: Rolling Shutter - Typische CMOS-Technologie - in kostengünstigen Sensoren Nachteil: Bewegungsartefakte Quelle: Aptina Lösung: Betriebsmode Global Reset Release Quelle: Softoptcs Quelle: Aptina

17 Bildsensoren CMOS: Global Shutter - keine Bewegungsartefakte - Funktionsweise wie bei CCD- Sensoren - Notwendigkeit eines 4 Transistors in der Pixelarchitektur - Ladungen werden synchron in abgedunkelte Auslesebereiche geschoben Quelle: Micron

18 Bildsensoren CMOS: High Dynamic Range - Erhöhung des Dynamikumfangs - logarithmische Empfindlichkeitskennlinie - stufenweise lineare Kennlinie (typisch)

19 Bildsensoren CMOS: High Dynamic Range - stufenweise lineare Kennlinie (typisch) Ansatz: veränderliche Barriere Parameter: - einzelne Belichtungszeiten - Barriere-Höhen Quelle: Micron

20 Bildsensoren CMOS: High Dynamic Range - stufenweise lineare Kennlinie (typisch) Ansatz: Mehrbild-Aufnahmen Parameter: - einzelne Belichtungszeiten

21 Bildsensoren CMOS: Region of Interest - möglich, ohne das gesamte Bild auslesen zu müssen (im Vergleich zu CCD-Sensoren) - Zum Teil mehrere ROIs setzbar Verringerung der Datenmenge Erhöhung der Bildrate

22 Schnittstellen Analog klassische Schnittstelle, vor Allem in der Video- / Endoskop-Technik Cameralink ermöglicht hohe und konstante Datenraten benötigt Framegrabber GigE (Vision) industrielle Trend- Schnittstelle einfache Integration große Leitungslängen keine konstanten Datenraten / Latenzzeiten FireWire / IEE1394b USB2 konstante Datenraten sehr kosteneffizient USB-Schnittstelle an PCs sehr verbreitet / vorhanden USB3 10 x höhere Datenrate als USB 2

23 Softwareanbindungen Zu berücksichtigen: - Zielarchitektur - Betriebssystem - Treiber - API - Bildauswertungen / Algorithmen - Ergebnisdarstellung - Nutzerinterface - Interaktion (z. B. Reaktion auf Ergebnis) - Entwicklungsumgebungen - Bildverarbeitungsbibliotheken

24 Softwareanbindungen Zielarchitektur: - PC - Embedded PC - FPGA-Systeme - Signalprozessoren

25 Softwareanbindungen Betriebssystem: - Windows (32 / 64bit) - Linux - Windows Embedded - Proprietäre Lösungen - FPGAs - DSPs

26 Softwareanbindungen Treiber / API: - Kamera-Parametrierung - Bildübertragung - Bedienung I/O-Funktionen - Bildvorverarbeitung - DeBayering - Automatik-Funktionen - Statistik - Integration in Entwicklungsoberflächen - Beispiele

27 OEM-Produkte vs. Custom-Design Wann lohnt ein Custom Design - Spezifische Anforderungen - Größe - Temperaturbereiche / Umweltbedingungen - Spezielle Sensoren -.??? - Preis Wenn nicht alle Komponenten Ihren zwingenden Anforderungen entsprechen

28 OEM-Produkte vs. Custom-Design Beispiel: - gegebenes System soll verkleinert werden - Re-spin des Kamera-Boards - Re-spin der LED-Beleuchtung - Verzicht auf Umlenkprisma - Verzicht auf mechanische Komponenten trotz anfänglicher Entwicklungskosten ist hier Custom-Design in der Serienproduktion günstiger!

29 Herzlichen Dank!