Interlaced goes Digital

Transkript

1 White Paper Interlaced goes Digital Interlaced goes Digital Totgesagte leben länger. Warum Interlaced- Sensoren weiterhin beliebt sind und wie sie jetzt mit digitalem Interface kombiniert werden können. Mit der zunehmenden Digitalisierung der industriellen Bildverarbeitung hat die Branche manchmal dazu geneigt, konventionelle Technologien zu schnell abzuschreiben. In der Praxis zeigt sich aber, dass viele Anwender an ihrem analogen Bildverarbeitungssystemen hängen. Wer auf die Bedürfnisse dieser Nutzer eingeht stellt fest, dass der wahre Grund nicht in der analogen Übertragungstechnik als solche liegt, sondern in den Vorteilen von Interlaced-Sensoren, die in Analogsystemen weit verbreitet sind und bisher nicht in Kameras mit digitaler Schnittstelle verfügbar waren. Allied Vision Technologies hat hier eine Marktlücke erkannt und mit neuen Kameras mit Interlaced-Sensoren und digitalem Interface den Weg von Analog zu Digital für diese Anwender geebnet. Analog vs. Digital, Progressive Scan vs. Interlaced Digitalkameras, digitale Camcorders, MP3-Player, Video on Demand,... in der Unterhaltungselektronik durchdringt die digitale Technologie unsere Haushalte. Wie der Konsumentenmarkt wird auch der Markt für industrielle Bildverarbeitung von einer wachsenden Digitalisierung geprägt. Dennoch setzen sich in der Industrie digitale Interfaces nicht so leicht und schnell durch wie im Konsumentenbereich. Über 50% aller Systeme arbeiten immer noch mit analoger Datenübertragungstechnik beispielsweise in der einfachsten Form einer Kamera angeschlossen an einem Monitor. Digitale Schnittstellen wie etwa der weit verbreitete FireWire-Standard (IEEE 1394) bieten aber erhebliche Vorteile für die industrielle Bildverarbeitung: Sie erlauben eine schnellere, zuverlässigere Bilddatenübertragung ohne Qualitätsverlust zu einem Computerbasierten System, das die Bilder direkt ohne Framegrabber bearbeiten oder archivieren kann. Außerdem ermöglicht ein digitales Interface den Mehrkamerabetrieb und eine komfortable Parametrierung der Kameras. Warum ist bei so vielen Vorteilen die Hemmschwelle vieler Anwender von Analogsystemen dennoch so hoch, auf Digital umzusteigen? Die Lebensdauer von Machine Vision Systemen führt natürlich dazu, dass die Migration zu einer neuen, digitalen Technologie nicht so schnell erfolgen kann, wie in der schnelllebigen Unterhaltungselektronik. Außerdem scheuen viele Nutzer die Kosten einer Umrüstung gerade bei einfacheren analogen Systemen, bei denen der Preis im Vordergrund steht. Entscheidender ist aber, dass fast jedes zweite Analogsystem mit Interlaced-Kameras arbeitet. Für Anwender solcher Systeme bedeutete bisher der Wechsel zu einem digitalen Interface eine doppelte technologische Migration, denn Kameras mit Interlaced-Sensor und digitaler Schnittstelle gab es einfach nicht. Sie mussten also nicht nur die Interface-, sondern auch die Sensortechnologie wechseln. Eine komplexe und kostspielige Angelegenheit, denn dieser Wechsel kann sich an vielen Stellen des Systems auswirken: u. U müssen neue Objektiven gefunden, die Bildverarbeitung zur Auswertung des neuen Bilds angepasst, und auch die Mechanik angefasst werden (neue Halterungen, neue Abstände).

2 - 2 - Was ist Interlaced? Interlaced zu Deutsch: Zeilensprung ist eine Erfindung aus den 30er Jahren des vorigen Jahrhunderts, als die Entwicklung der Fernsehtechnik ihre ersten Schritte ging. Viele nennen es eher eine Kunst als eine Technik, denn sie spart Bandbreite für eine gegebene Bildwiederholungsfrequenz oder erhöht die Auflösung, je nach dem wie man es betrachtet. Damals galt es, eine Bildwiederholfrequenz von 50 Abb. 1 Hz (in Europa) bzw. 60 Hz (in Amerika) zu erreichen (von 100 Hz Fernseher war damals keine Rede). Ziel war, dass das Bild im Auge des Betrachters nicht flimmert, und zwar bei einer Kanalbandbreite von maximal 6 MHz, welche also etwa nur (unscharfe) Bildpunkte darstellen kann. Die Lösung bestand darin, das Bild in zwei Hälften hintereinander zu übertragen, indem der Abtaststrahl der damaligen Röhrenkameras und der dazugehörige Elektronenstrahl des Röhrenfernsehers jede zweite Zeile übersprungen. Auf unsere heutige Technik mit CCD-Bildsensoren und digitalen Displays gemünzt bedeutet dies: Im ersten Halbbild werden die ungeraden (roten) Zeilen belichtet und dargestellt, wohingegen im zweiten Halbbild die geraden (grauen) Zeilen abgetastet und wiedergegeben werden. Damit sind der Trick und die Kunst des Zeilensprungs klar: Man vertauscht örtliche mit zeitlicher Auflösung. Durch das Verkämmen hat man zumindest bei ruhenden Vorlagen die gleiche Auflösung wie ein System mit doppelt so vielen Zeilen und das Bild flimmert nicht durch die hohe Bildwiederholrate der Halbbilder von 50 Hz bzw. 60 Hz. Diese beiden Halbbilder werden üblicherweise nacheinander auf einem Monitor dargestellt oder alternativ im PC deinterlaced und zu einem einzigen Vollbild zusammengefasst. Allerdings werden beide Halbbilder hintereinander, also zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen. Deshalb können gerade bei bewegten Objekten Artefakte entstehen, gegen die bestimmte Tricks angewendet werden müssen, damit die Interlaced-Kamera in der vorgesehenen Anwendung gute Bilder liefert - etwa durch Timing- und Belichtungseinstellungen, Beleuchtung, und die Bildverarbeitungssoftware. Unübertroffene Lichtempfindlichkeit Warum nun vermeidet man diesen Nachteil nicht einfach, indem man auf eine Digitalkamera mit progressiver Abtastung (Progressive Scan) umstellt? Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Der erste Grund ist eher wirtschaftlicher Natur: Umfangreiche Konstruktionsänderungen bei Timing- und Belichtungssteuerung wären nötig, um das System so abstimmen zu können, dass es mit einem mit Progressive Scan- statt mit Interlaced-Sensor aufgenommenen Bild arbeitet. Dies bedeutet viel Aufwand und Kosten, die für viele Anwender nicht im Verhältnis zu den Vorteilen stehen. Der wichtigere Grund, der viele Nutzer von einer Migration abhält, ist technischer Natur und liegt in der hohen Lichtempfindlichkeit von Interlaced-CCD-Sensoren im Vergleich zu Progressive Scan Sensoren. Um diese Empfindlichkeit besser zu verstehen, stellen wir jetzt die beiden Betriebsarten vor, in der Interlaced- Sensoren angesteuert werden können.

3 - 3 - Interlaced field integration und interlaced frame integration Die Betriebsart Interlaced Field Integration fasst vertikal zwei Zeilen durch Binning zusammen, sodass sich hierüber schon einmal die doppelte Empfindlichkeit ergibt. Abb. 2 Interlaced Field Integration: 2faches Binning erhöht die Empfindlichkeit Abb. 2 zeigt die lichtempfindlichen Sensorpixel und die benachbarten Speicherbereiche des sogenannten Sony Interline Sensors. Das Schema macht deutlich, dass sich zwei Pixel einen Speicher teilen müssen oder der Aufwand für den Speicher pro Bildpunkt geringer und damit kompakter ausfällt. Abb. 3 Interlaced Field Integration: Halbbilder werden nacheinander integriert

4 - 4 - Man beachte, dass im ersten und im zweiten Halbbild unterschiedliche Zeilen zusammengefasst werden. Hier liegt auch der Unterschied zu einem Progressive Scan Sensor, der Binning ja auch kann. Nach jedem Halbbild ist der Sensorspeicher komplett leer. In dieser Betriebsart sind externer Trigger sowie elektronischer Shutter also möglich. In der Betriebsart Interlaced Frame Integration findet kein Binning statt: Es werden in dem ersten Halbbild nur die ungeraden Zeilen, im zweiten Halbbild nur die geraden Zeilen ausgelesen (Abb. 4). Abb. 4 Bei der Interlaced Frame Integration findet kein Binning statt. Während eine Zeile ausgelesen wird, kann die nächste also bereits belichtet werden, sodass jeder Pixel zwei Halbbilder Zeit zur Belichtung hat. Oder anders gesagt: Beide Halbbilder integrieren überlappend. In dem Fall ist zwar kein externer Trigger oder elektronischer Shutter möglich, allerdings kann man mit einem Blitz während der Überlappungszeit ein Bild in voller Auflösung erreichen. Abb. 5 Interlaced Frame Integration: überlappende Integration und lange Belichtungszeit

5 - 5 - Ein weiterer Vorteil, den etliche übliche Interlaced-Sensoren bieten, ist eine höhere Empfindlichkeit im sichtbaren und nahen Infrarotbereich (NIR). So zählen beispielsweise die von Sony entwickelten Interlaced-Sensoren in ExviewHAD-Technologie für den sichtbaren und den NIR-Bereich zu den empfindlichsten erhältlichen CCD-Sensoren für Konsumentenprodukte. Diese Sensoren sind schon sehr häufig in Analogkameras von industriellen Bildverarbeitungssystemen eingebaut worden. Ihre Empfindlichkeit wird noch weiter gesteigert, indem man auf jeden Sensorpixel eine oder sogar zwei Mikrolinsen setzt, sodass mehr Licht auf die lichtempfindliche Zone der Pixelfläche gelangt, wie die Grafik in Abb. 6 belegt. Abb. 6 Bis zu 300% höhere Empfindlichkeit: Sony ExviewHAD CCD-Sensor Mit dieser Technologie können bis zu 300% höhere Empfindlichkeiten gegenüber progressiver Schwarzweiß-Sensorik erzielt werden. Interlaced-Sensoren bieten schließlich auch Vorteile, wenn es um Farbaufnahmen geht. Typischerweise enthält ein farbfähiger Interlaced-Sensor eine Bayer-Filtermatrix mit den Farben CyYeGrMg (Cyan, Gelb, Grün, Magenta) statt den bei den Sensoren mit progressiver Abtastung üblichen Farben BGGR (Blau, Grün, Grün, Rot). Herkömmliche CCD- Sensoren zeigen die geringste Empfindlichkeit an beiden Enden des sichtbaren Spektralbereichs. Die CyYeGrMg Farben liegen weiter zur Mitte dieses Bereichs hin, wo die Empfindlichkeit größer ist. Das macht zwar die Anpassung der Algorithmen zum Interpolieren zwischen den Farbpixeln und zum Durchführen des Weißabgleichs nötig, aber der Nutzeffekt in Form einer höheren Empfindlichkeit ist unübersehbar. Interessant zu wissen ist außerdem, dass mit den Komplementär- Abb. 7 Bis zu 500% höhere Empfindlichkeit: Interlaced Farbsensor mit CyYeGrMg Bayer Filtermatrix

6 farbsensoren das Binning auch bei Farbe möglich ist Bei Farbsensoren mit CyYeGrMg-Filtermatrix konnten bis zu 500% höhere Empfindlichkeiten erzielt werden im Vergleich zu Progressive Scan Farbsensoren. Neu am Markt: Interlaced Sensor mit digitalem Interface Angesichts dieser Vorteile ist es verständlich, dass Interlaced-Sensoren für bestimmte Applikationen nach wie vor ihre Anhänger haben. Zum Beispiel für Anwendungen mit schlechten Lichtverhältnissen wie Endoskopie. Für diese Nutzer war die Migration von analogem zu digitalem Interface bisher ausgeschlossen, waren ja nur Progressive Scan Sensoren mit digitaler Schnittstelle am Markt verfügbar. Eine Lösung liefern nun die neuen Guppy Interlaced-Kameras von Allied Vision Technologies. Diese Produktreihe bietet zum ersten Mal am Markt die Kombination aus Interlaced-Sensor und digitalem FireWire-Interface. Die neuen Guppy-Modelle sind mit denselben Interlaced-Sensoren ausgestattet wie die meisten Analogsysteme. So kann die Migration zur digitalen Schnittstelle vollzogen werden, ohne dass auf die hohe Empfindlichkeit verzichtet werden muss. Da die Sensortechnologie gleich bleibt, kann zudem außer der Schnittstelle der Rest des Systems (Optik, Beleuchtung, Bildverarbeitungssoftware) weitgehend unangetastet bleiben. Im Idealfall muss lediglich der Treiber ausgetauscht werden. Somit sichern die neuen AVT Kameras frühere Investitionen in Interlaced-basierten Systemen und optimieren sie mit digitaler Datenübertragungstechnik. Der Anwender muss sich nicht mehr zwischen den Vorteilen der analogen oder der digitalen Technologie entscheiden: er bekommt das Beste von beiden Welten. Die neuen Interlaced-Kameras von Allied Vision Technologies nutzen die gleiche Plattform wie die übrigen Guppy-Modelle: Sie weisen die gleichen kompakten Abmessungen auf und verfügen über eine FireWire- Schnittstelle (IEEE1394a). Sie sind mit Sony Interlaced-CCD-Sensoren mit 0,25, 0,29, 0,38 oder 0,44 Megapixel ausgestattet, jeweils in Schwarzweiß und Farbe. Die beiden höheren Auflösungen (0,38 und 0,44 Megapixel) sind außerdem auch als Near-Infrared-Variante (NIR) erhältlich. Dank dieser einmaligen Kombination aus FireWire Schnittstelle und Interlaced-Sensor gehört also eine der größten Hürden auf dem Weg von Analog zu Digital nun der Vergangenheit an. Somit leistet Allied Vision Technologies einen maßgeblichen Beitrag zur Digitalisierung der industriellen Bildverarbeitung. ALLIED VISION TECHNOLOGIES GMBH Taschenweg 2a D Stadtroda Germany Phone: /677-0 Fax: / info@alliedvisiontec.com