Frame Grabber versus Erfassungsbox

Die Umsatzzahlen in der Bildverarbeitung zeigen auch in diesem Jahr ein deutliches Wachstum. So vermeldet der VDMA in seinen neuesten Zahlen, dass die deutschen Unternehmen dieser Branche im Jahr 2004 erneut ein Plus von 10 Prozent verzeichnen konnten. Für 2005 prognostiziert der VDMA ein weiteres Wachstum von 10 Prozent, das "diese High-Tech-Branche voraussichtlich erstmals die Milliarden-Euro-Schwelle überschreiten" lassen wird.

Diesen positiven Trend hat die Bildverarbeitung in den letzten Jahren entgegen der allgemein schwierigen Konjunktur weiter durchgesetzt. Einer der Gründe dafür ist, dass die Benutzerfreundlichkeit der Geräte deutlich gestiegen ist. Zum einen können so die Komponenten günstiger von den Spezialisten in die Bildverarbeitungs-Lösungen implementiert werden, zum anderen erschließen sich mit den einfacheren Komponenten ganz neue Anwenderkreise.

Diese Entwicklung ist auch der Grund für das Erscheinen der neuen Bilderfassungsboxen auf dem Vision-Markt. Im Gegensatz zu einem klassischen Frame Grabber werden diese Einheiten an den PC, auf dem die Bildverarbeitung durchgeführt wird, extern angeschlossen. Die Schnittstelle nach außen bringen moderne PCs in der Regel bereits mit. Am weitesten verbreitet ist dabei die USB/USB 2-Schnittstelle, aber auch FireWire und Gigabit-Ethernet ("GigE") haben sich inzwischen stark etabliert. Dies sind neue, mögliche Wege, wie Bilddaten in den Hauptspeicher des Auswerte-PCs gelangen können.

Um die am Markt vorhandenen Kamera-Technologien unterstützen zu können, sind inzwischen zahlreiche verschiedene Formen von Erfassungsboxen verfügbar. Sie sind in der Lage, analoge Kameras mit gängiger Videonorm, CameraLink- oder LVDS-Kameras zu erfassen.

Generell funktionieren diese Boxen wie ein Frame Grabber: Sie erfassen das Kamerasignal, puffern es, sortieren es falls nötig und übertragen es dann über das Interface in den Hauptspeicher des PCs. Einige Erfassungsboxen können wie ein Frame Grabber getriggert werden und lösen dann eigenständig das Bild an der Kamera aus. Manche Boxen sehen auch Vorverarbeitungs-Möglichkeiten wie Sortierung, Bayer-RGB-Konvertierung und vieles mehr vor. Einige Hersteller bieten auch Boxen an, bei denen mehrere Kameras an eine Einheit angeschlossen werden können. Bei diesen Produkten werden die Bilddaten dann entweder parallel oder über Multiplexer übertragen.
Die Auswahl nimmt zu

Die kanadische Firma Pleora bietet zum Beispiel mit dem Produkt i-Port (in Deutschland bei STEMMER IMAGING erhältlich) eine ganze Familie von Boxen an, die den Anschluss aller genannten Kameratypen an eine Einheit ermöglicht. Die i-Port-Serie ist sogar in Form von OEM-Platinen verfügbar und realisiert die Datenübertragung über Gigabit-Ethernet.

Zum Anschluss von Zeilen- oder Flächenkameras über die CameraLink-Base-Schnittstelle eignet sich CAM2NET des dänischen Herstellers JAI. Auch hier ist es möglich, mehrere Einheiten bestehend aus Kamera und Erfassungsbox an ein Netzwerk anzuschließen. Die Kameradaten können über ein Netzwerk flexibel an mehrere PCs gleichzeitig gesendet werden. Diese Multi-Cast-Architektur ermöglicht den einfachen Aufbau eines verteilten Rechnersystems mit mehreren Rechnern.

Der Mannheimer Hersteller Silicon Software setzt mit der Produktreihe microUSB (in Deutschland bei STEMMER IMAGING erhältlich) hingegen auf die USB 2-Schnittstelle. Bei diesen Erfassungsboxen können die Daten von CameraLink- oder LVDS-Kameras erfasst werden. Durch den in der Erfassungsbox integrierten on-Board-FPGA-Baustein können die Bilddaten sogar vorverarbeitet und dann mit bis zu 48 Mbyte/s übertragen werden.

Die ebenfalls in Mannheim ansässige Firma VRmagic bietet mit der Erfassungsbox AVC1 (bei STEMMER IMAGING erhältlich) ein kleines, kostengünstiges Kästchen, das gängige Video-Normen auf USB 2 überträgt. Das Bremer Unternehmen The Imaging Source überträgt die gängigen Video-Normen mit DFG/1394-1 über FireWire. Weitere Erfassungsboxen sind bei verschiedenen Herstellern in Vorbereitung und es ist daher zu erwarten, dass die Produktvielfalt innerhalb der nächsten Monate auf dem Markt noch deutlich steigen wird.

Vorteile von Erfassungsboxen

Der große Vorteil dieser Erfassungsboxen ist ihre Flexibilität. Einerseits kann, wie beim Frame Grabber, die große Vielfalt an ausgereiften und gängigen Analog-, CameraLink- und LVDS-Kameras genutzt werden. Andererseits ermöglichen diese Geräte einen wesentlich flexibleren Aufbau von Bildverarbeitungs-Systemen: Im Gegensatz zu einem Frame Grabber kann eine Erfassungsbox bis zu 100 Meter weit entfernt vom PC an geeigneter Stelle, z.B. in einem Schaltschrank, eingebaut werden. Dadurch hat der Anwender einen größeren Integrationsspielraum. Zudem können die Auswerte-PCs von den Abmessungen her kleiner ausfallen, da beim Einsatz einer externen Erfassungsbox keine PCI-Einsteckkarte mehr nötig ist. Die Boxen selbst sind sehr klein und liegen in der Größenordnung von ca. 100 x 100 x 40 mm. Zusätzlich erleichtert der externe Anschluss an den PC die Integration.

Erfassungsboxen ermöglichen darüber hinaus einen einfachen Aufbau von Multi-Kamera-Systemen. Speziell Gigabit-Ethernet kann hier trumpfen, da diese Technik ja aus der Netzwerktechnik kommt und daher von vorneherein dafür gerüstet ist, ein Netzwerk aus (fast) beliebig vielen Quellen und PCs aufzubauen. Die bei Gigabit-Ethernet eingesetzten Leitungen sind die gleichen, die in der Industrie heute schon für die Vernetzung von Systemen verwendet werden und somit bereits als industrietaugliche Komponenten erhältlich.

Ein wichtiger Nachteil der Erfassungsboxen ist hingegen die Datensicherheit. Bei Frame Grabbern ist die physikalische Verbindung über ein oder mehrere direkte Kabel realisiert. Es lässt sich daher stets eine genaue Aussage treffen, wann und wo ein Signal läuft, wie lange es braucht und wann es ankommt. Bei GigE, USB und FireWire werden die Daten hingegen in Pakete unterteilt und dann versendet. Selbst bei einer einfachen Topologie aus nur einer Kamera, einer Erfassungsbox und einem PC ist der genaue Verlauf der Datenübertragung somit nicht mehr exakt vorhersagbar. Bei Bildverarbeitungs-Systemen, die an einem Netzwerk arbeiten, ist eine sichere zeitliche Zustellung des Datenpakets aufgrund der möglicherweise höheren Priorisierung anderer Geräte gar nicht mehr gewährleistet.

Zweiter Nachteil der Erfassungboxen: Bei GigE, USB und FireWire ist die tatsächliche Bandbreite im Gegensatz zu CameraLink-, Analog- oder PCI-Frame Grabbern nicht unbedingt sicher: Entweder der Anwender nutzt die volle Datenrate, doch dann ist die Übertragung nicht komplett gesichert. Oder er gibt der Übertragungssicherheit Priorität, doch dies funktioniert nur auf Kosten der Bandbreite. Checksummen bieten hier zwar die Möglichkeit, Datenverluste zu erkennen, doch diese Technik ist meist nur bedingt in die Treiber implementiert. Hinzu kommt, dass bei keiner Technologie genau vorhergesagt werden kann, mit welcher Zeitverzögerung die Daten der Kamera im Hauptspeicher landen. Natürlich fallen diese Nachteile nur bei größeren Datenmengen ins Gewicht.

Stärken der Frame Grabber-Technologie

Bei zeitkritischen Aufgaben, die mit Hilfe von Bildverarbeitung gelöst werden sollen, ist es sehr wichtig, das Datentiming genau vorhersagen zu können. An dieser Stelle spielt der klassische Frame Grabber seine große Stärke aus. Keine Technologie bietet bei gleicher Flexibilität eine gleichwertige Datensicherheit. Die Bilderfassungs-Karten des kanadischen Herstellers Coreco Imaging bieten zum Beispiel die Möglichkeit, nicht nur einen Datenverlust zu erkennen, sondern sogar genaue Informationen zu liefern, wann und an welcher Stelle des Daten-Transfers dieser Fehler entstanden ist. Damit hat der Anwender oder das System die Möglichkeit zu reagieren.

Ein weiterer Vorteil von Frame Grabbern gegenüber den neuen Erfassungsboxen ist, neben der ausgereiften und über Jahre getesteten Technologie, die Funktionalität und Effektivität der Treiber. Bei FireWire, USB 2 und Gigabit-Ethernet greift man meistens auf bestehende Treiber z.B. von Microsoft zurück, die aber nicht für die Bildverarbeitung optimiert sind. Schreibt der Hersteller den Treiber selbst, so ist dieser nicht immer mit den eingesetzten Chipsätzen der Schnittstellen-Hardware im PC kompatibel. Der Anwender muss sich also auf eine längere Implementierungszeit einstellen, als er bei diesen "standardisierten" Schnittstellen erwartet. Kameras mit hohen Datenraten, oder Multi-Kamera-Systeme mit Gesamtdatenraten von über 100 MByte/s können derzeit und zukünftig nur mit Frame Grabber in den PC transferiert werden. Mit den aufkommenden Bussystemen PCI-X oder PCI-Express sind hier heute schon Datenraten von 1GB/s möglich.

Natürlich muss man auch die Nachteile von Frame Grabbern betrachten: Sie erfordern grundsätzlich etwas mehr Know-how des Anwenders. Unter anderem ist es immer erforderlich, zum Einbau der Karte den PC zu öffnen, was Endanwendern oft schon etwas Überwindung kostet. Zudem sind zumindest bei PCI-Bus-Grabbern etwas größere PCs erforderlich als bei Erfassungsboxen. Da Frame Grabber in der Regel über eine höhere Funktionalität verfügen, sind sie in der Bedienung zwangsläufig komplexer und meist auch etwas teurer als Erfassungsboxen. Da Frame Grabber immer im PC eingebaut sind, verfügen sie zudem eben nicht über die oben beschriebene Flexibilität bezüglich der Topologie.

Kameras, bei denen diese neuen Technologien schon direkt integriert sind, benötigen keine Erfassungsbox. Der Anwender ist aber eingeschränkt in der Kamerawahl, da diese Kameras bisher nur sehr beschränkt erhältlich sind. Zudem ist die Auswahl in Bezug auf Auflösung und Bildwiederholrate noch sehr eingeschränkt. Zukünftig wird die Auswahl hier deutlich wachsen. Bis allerdings die Vielfalt der heute erhältlichen Analog-, CameraLink- und LVDS-Kameras erreicht ist, werden sicher noch Jahre vergehen.

Das größte Potential wird voraussichtlich Gigabit-Ethernet haben. Ein Konsortium von mehreren Erfassungs-, Kamera- und Software-Herstellern arbeitet derzeit an einem allgemeingültigen Bildverarbeitungs-Standard auf Gigabit-Ethernet-Basis. Mit diesem Standard hat diese Schnittstelle mit Datenraten von bis zu 100 Myte/s und seiner Netzwerkfähigkeit die größte Chance für einen breiten Einsatz in der Bildverarbeitung.

An diesem Konsortium sind die Firmen Adimec, Atmel, Basler, Cyberoptics, DALSA, JAI, JAI PULNiX, Matrox, National Instruments, Photonfocus und STEMMER IMAGING beteiligt. Ziel der Gruppe ist es, baldmöglichst einen laufenden Prototyp zu präsentieren. (Weitere Informationen zum GigE-Konsortium unter www.machinevisiononline.org).

Fazit:

Die Diversifizierung der Technologien wird auch in Zukunft weiter fortschreiten. Jede Aufgabe bedarf einer speziellen Technologie, so dass zukünftig für jede Aufgabe genau die richtige Lösung existieren wird. USB 2 und FireWire sind die flexiblen Schnittstellen im niedrigen Datenbandbreiten-Bereich. Bei Aufgaben, bei denen eine hohe Datensicherheit oder schnelle Kameras erforderlich sind, werden die Frame Grabber weiterhin bestehen. Im mittleren Bereich wird sich sehr wahrscheinlich Gigabit-Ethernet durchsetzen.

Obwohl insgesamt die Handhabung der Komponenten einfacher wird, ist es für den Anwender weiterhin wichtig, sich von einem kompetenten Fachmann beraten zu lassen, welche Technik jeweils genau die richtige Lösung für seine Aufgabe darstellt.