Auswahl von Komponenten für OEM Kameras Göttinger Messtechniksymposium, 17.07.2014
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
Beleuchtung Typen der Beleuchtung: -Sonne -klassische Leuchtmittel / Kaltlichtquellen -Blitzlampen -LED -Laser
Beleuchtung Sonne: - stark schwankende Intensitäten - schwankende spektrale Eigenschaften - nicht kontrollierbar - sehr hohe Kontraste innerhalb einer Szene => in vielen Anwendungen ist das Sonnenlicht eine Störgröße
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
Beleuchtung LED - verschiedenste Wellenlängen / Spektren verfügbar - anordbar - z.t. blitzbar (Überstrom) - Hochleistungs-LEDs z.t. nicht augensicher - geringe Leistungsaufnahmen - hohe Langlebigkeit / Langzeitstabilität - geringer Preis
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: http://wiki.zimt.uni-siegen.de/
Beleuchtung Quelle: http://wiki.zimt.uni-siegen.de/
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
Optik zusätzliche Features - variabler Fokus - mechanisch - elektromechanisch - Flüssiglinse - variable Blende - mechanisch - elektromechanisch Quelle: www.colorfoto.de Quelle: www.cine4home.de
Optik Auswahlkriterien - Sichtfeld bei gegebener Sensorgröße - Abbildungsmaßstab - Tiefenschärfe - Auflösung - Telezentizität - Baugröße - Gewicht - Preis - Lieferfähigkeit
Bildsensoren Sensorgrößen / Auflösungen - Typ. Sensorgrößen zwischen 1/10 und 1 - Typ. Auflösungen zwischen CIF und 14MPixel - Typ. Pixelgröße zwischen 1,7µm und 10µm
Bildsensoren Color Filter Arrays - Kein (monochrom) - RGB - CMY (Komplementär-Farben) - Sonderformen Quelle: wikipedia Andere Ansätze - 3-Sensoren - Foveon Quelle: wikipedia Quelle: Foveon
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
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
Bildsensoren CMOS: Rolling Shutter - Typische CMOS-Technologie - in kostengünstigen Sensoren Nachteil: Bewegungsartefakte Quelle: Aptina Lösung: Betriebsmode Global Reset Release Quelle: Softoptcs Quelle: Aptina
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
Bildsensoren CMOS: High Dynamic Range - Erhöhung des Dynamikumfangs - logarithmische Empfindlichkeitskennlinie - stufenweise lineare Kennlinie (typisch)
Bildsensoren CMOS: High Dynamic Range - stufenweise lineare Kennlinie (typisch) Ansatz: veränderliche Barriere Parameter: - einzelne Belichtungszeiten - Barriere-Höhen Quelle: Micron
Bildsensoren CMOS: High Dynamic Range - stufenweise lineare Kennlinie (typisch) Ansatz: Mehrbild-Aufnahmen Parameter: - einzelne Belichtungszeiten
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
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
Softwareanbindungen Zu berücksichtigen: - Zielarchitektur - Betriebssystem - Treiber - API - Bildauswertungen / Algorithmen - Ergebnisdarstellung - Nutzerinterface - Interaktion (z. B. Reaktion auf Ergebnis) - Entwicklungsumgebungen - Bildverarbeitungsbibliotheken
Softwareanbindungen Zielarchitektur: - PC - Embedded PC - FPGA-Systeme - Signalprozessoren
Softwareanbindungen Betriebssystem: - Windows (32 / 64bit) - Linux - Windows Embedded - Proprietäre Lösungen - FPGAs - DSPs
Softwareanbindungen Treiber / API: - Kamera-Parametrierung - Bildübertragung - Bedienung I/O-Funktionen - Bildvorverarbeitung - DeBayering - Automatik-Funktionen - Statistik - Integration in Entwicklungsoberflächen - Beispiele
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
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!
Herzlichen Dank!