Was hat sich im letzten Jahr in der Bildverarbeitungsbranche getan, und was steht wohl für das kommende Jahr an? Für den Kamerahersteller Basler zeigt sich: Anwender suchen zunehmend nach kleineren und zugleich leistungsfähigeren Kameras, nach Modellen mit Gigabit Ethernet-Schnittstelle und Power-over-Ethernet sowie nach Farbkameras mit besonders realistischer Farbdarstellung. Die Kamerawelt bewegt sich, bleibt spannend, und wird ein Stück bunter.
Im Jahr 2009 machte nicht nur der Markt für industrielle Bildverarbeitung eine seiner schwersten Krisen seit Bestehen durch. Die Wirtschaft stotterte weltweit, und die wenigsten Manager dachten an Expansion oder an eine Erweiterung der Produktionskapazitäten.
Krisen sind aber auch Nährboden für Veränderungen und Innovationen. So zwang die Krise die Hersteller von Komponenten und Inspektionslösungen dazu, ihre Produkte technisch zu verbessern und gleichzeitig preisgünstiger zu machen. Der Kamerahersteller Basler führte beispielsweise die Kameraserie ace ein, die trotz günstiger Einstiegspreise ab 299 € den für Digitalkameras üblichen Funktionsumfang besitzt, ohne Abstriche bei der Qualität zu machen. Die diesjährige VISION 2010 in Stuttgart ist für Basler ein schöner Anlass, zusammenzufassen, was sich im vergangenen Jahr im Kameramarkt getan hat und was für die jüngere Zukunft erwartet werden kann.
GigE-Kamera Technologie etabliert sich als Standard für Industriekameras
Mit der Gigabit Ethernet-Technologie (GigE), d. h. der Übertragung von Digitalkamera-Bildern über Ethernet, lassen sich inzwischen nahezu alle Standard-Inspektionsaufgaben realisieren. Die GigE-Technik bietet eine Übertragungsbandbreite von ca. 100 1-Megapixel- Bildern pro Sekunde (100 MByte/s) über eine Entfernung von bis zu 100 m. Dabei können preisgünstige Komponenten wie Kabel, Verteiler (Switches) und PC-Einsteckkarten aus dem Massenmarkt verwendet werden.
Die Wirtschaftskrise verstärkte die Nachfrage nach günstigen GigE-Kameras und Zubehör. Als Reaktion auf diese Anforderungen zeigten nahezu alle großen Kamerahersteller auf der VISION 2009 neue GigE-Kameraprodukte.
Und die, die noch keine zeigen konnten, kündigten diese zumindest an. Selbst bedeutende Vertreter anderer Übertragungstechnologien, beispielsweise der japanische Hersteller Sony mit seinem FireWire-Interface, veränderten ihre Produktstrategie hin zu GigE. Die GigE-Technik ist damit die aktuell deutlich dominierende Übertragungs-Interface-Technik für Industriekameras. Die Anwender profitieren hierbei durch einen breiteren Wettbewerb und ein größeres Produktangebot.
Variantenvielfalt zur Kundenbindung - Plattformen machen’s möglich
Während es in der Vergangenheit üblich war, nur ausgewählte Sensoren eines Sensorherstellers in eine Kamerafamilie zu integrieren, finden die Kunden heutzutage bei führenden Kameraherstellern fast alle gängigen Typen der großen Sensorlieferanten Sony, Kodak, Aptina usw. Meist sind sogar die verschiedenen Sensor-Technologien wie CCD mit ihrer guten Bildqualität und CMOS mit den schnellen Bildraten in einer Familie zu finden.
Basler führte beispielsweise bereits 2006 die Kameraserie scout mit zwölf Sensormodellen ein. Zurzeit umfasst das scout-Portfolio mehr als 50 Modelle. Dabei variieren neben Sensorauflösungen auch Bildeinzugsgeschwindigkeiten oder Sensorgrößen – allein bei den scout VGA-Kameras gibt es z. B. Sensoren mit 1/4“, 1/3“ und 1/2“.
Basis für diese Vielfalt sind ausgefeilte Kameraplattform-Designs, mit denen Hersteller in der Lage sind, Varianten mit nur geringen Anpassungen in Mechanik oder Software aufzunehmen. Dies spart Zeit und Entwicklungskosten, so dass auch eine Integration von exotischen Sensoren trotz niedriger Stückzahlen kommerziell sinnvoll sein kann. Durch solche Portfolio-Erweiterungen finden Kunden schneller das passende Kameramodell für ihre Anwendung – oftmals ohne Kamerafamilie, Technologie oder Lieferant wechseln zu müssen.
Schrumpfende Gehäusegröße und PoE öffnen neue Märkte
Zwei weitere Neuerungen des Jahres 2009 erleichtern den Anwendern das Systemdesign: Power over Ethernet-Funktionalität und kleine Baugrößen.
Power over Ethernet (PoE) bezeichnet die bereits lange im Telefonmarkt verwendete Technologie, zusammen mit den Dateninformationen auch den Versorgungsstrom für das Endgerät über nur ein Kabel zu transportieren. Dabei fügt der so genannte Injektor Strom und Daten zusammen, während der Splitter in der Kamera diese wieder von einander separiert. Als Ergebnis lassen sich ein Stecker und ein Kabel in der Installation sparen. Switches in einer Kamera-Netzwerk-Installation dienen dann sowohl zur Daten auch zur Stromverteilung.
Die zweite Neuerung betrifft die Baugröße der Kamera. Je kleiner und leichter eine Kamera ist, desto einfacher kann sie auch in beengte und verwinkelte Platzverhältnisse integriert werden. Die komplette Inspektionslösung kann so ebenfalls kleiner gemacht und vielfältiger eingesetzt werden. Dabei ist besonders der Footprint, die Frontfläche der Kamera, entscheidend. Mit 29 mm x 44 mm legte Sony mit seinen Analogkameras vor Jahren einen »Defacto-Standard« fest. Diesem Footprint-Maß folgte bislang die überwiegende Anzahl der digitalen Kameras mit den unterschiedlichen Daten-Interfaces wie FireWire, Camera Link oder auch GigE.
Der kleinere Footprint von 29 mm x 29 mm galt lange als technische Herausforderung für GigE-Kameras. Die 2009 auf der VISION Stuttgart vorgestellte Basler ace Kamerafamilie vereinte erstmalig PoE-Funktionalität und 29 mm x 29 mm Footprint. Mit einer Länge von nur 42 mm ist die ace eine der kleinsten Kameras mit diesen beiden Eigenschaften. In Kombination mit einem konsequent kostenoptimierten Produkt-Design lassen sich nun neue Märkte neben der produzierenden Industrie erschließen. Dabei reichen die möglichen Applikationen von medizinischen Geräten, die nicht nur exklusiv in Krankenhäusern, sondern auch bei Hausärzten Anwendung finden, bis hin zu Altwaren-Rücknahme-Systemen beim Discounter um die Ecke – neue Volumen-Märkte in denen kleine Baugröße, breiter Funktionsumfang und attraktive Produktpreisstrukturen die Einstiegsvoraussetzungen sind. Kameras wie die Basler ace zeigen solche Möglichkeiten auf und bewegen sich aus der Fabrik heraus in konsumentennähere Bereiche.
Welt der digitalen Kameras wird bunter
Marktstudien zeigen, dass sich der Anteil von Schwarz-Weiß- Kameras zu Farbkameras weiter zu Gunsten der Farbe verschiebt. Während in 2009 das Verhältnis prozentual bei ca. 60:40 lag, wird das Verhältnis für dieses Jahr auf 50:50 geschätzt.
Besondere Anforderungen an die Farbtreue und Farbtrennung durch die Kamera sind gegeben, sobald der Mensch anhand der Farbbilder Entscheidungen treffen soll. Die schwarz-weiß Rezeptoren im menschlichen Auge, die Stäbchen, helfen uns, auch schwache Lichtquelle zu erkennen. Die farbigen Zäpfchen lassen uns über 10 Millionen Farben oder Farbtöne unterschieden. Leider sind die Spektralkurven der kleinen Absorptionsfarbfilter auf den Pixeln des Kamerasensors nicht mit den einzelnen Spektralkurven der Zäpfchen identisch, so dass insbesondere bei Mischfarben leicht andere Töne auftreten können.
Dieses ist für die Bildverarbeitung an sich kein Problem, da sich die meisten klassischen Prüfaufgaben grundsätzlich gut in schwarz-weiß lösen lassen. Bei echten Farbaufgaben wird hingegen ein Referenzbild aufgenommen und dann die Farben mit dem laufenden Prüfobjekt verglichen. Bei der Farbkontrolle in einer schnell arbeitenden Druckmaschine werden beispielsweise die Prüflinge eingescannt und auf einem Monitor dargestellt. Der zuständige Mitarbeiter entscheidet dann aufgrund des Bildes, ob die Farben stimmen. Weißabgleich, Gamma-Korrektur und eine auf das System angepasste Farbkorrektur sind notwendig, um die erforderliche Farbtreue darzustellen – hohe Anforderungen an das Knowhow der Kamerahersteller.
Basler führt derzeit ein neuartiges Farbverarbeitungskonzept in seinen Kameras ein. Dieses liefert eine deutlich höhere Farbtreue und Farbtrennung, was in Applikationen aus den Bereichen Druck, Medizin oder Verkehr von zentraler Bedeutung ist. Die Farbqualität der Kameras ist in vielerlei Hinsicht der von 3CCDoder Tri-linear-Kameras ebenbürtig, bei deutlich niedrigeren Kosten. Basler erfüllt damit die steigende Nachfrage nach qualitativ hochwertigen, aber kostengünstigen Farbkameras
Kamerawelt von morgen
Wie mag sich nun die zukünftige Welt der digitalen Kameras darstellen? Die VISION 2010 in Stuttgart wird sicher zahlreiche Neuheiten hervorbringen und es wird sich zeigen, wo und wie die Hersteller einen weiteren Mehrwert für ihre Kunden generieren können. Einige Trends sind bereits sichtbar. Die Eigenschaften von CCD- und CMOS-Sensoren werden sich weiter angleichen. Die 4-Tap- CCD-Sensoren von Kodak, die z. B. in Baslers aviator Kamerafamilie Verwendung finden, können aufgrund von vier Datenausgängen die Pixelinformationen mit vierfacher Geschwindigkeit auslesen.
Dabei liefert die Basler aviator mit 1 Megapixel Auflösung bis zu 120 Bilder pro Sekunde bei bester homogener Bildqualität – ein enormer Geschwindigkeitszuwachs im Vergleich zu Kameras mit 1 Megapixel Sony CCD-Sensoren mit nur einem Datenausgang, die um die 30 Bilder pro Sekunde schaffen. Auf der anderen Seite gibt es CMOS-Sensoren, beispielsweise vom Hersteller CMOSIS, die auch bei 2 Megapixeln Auflösung und 350 Bildern pro Sekunde eine gute Bildqualität liefern. Andere laufende CMOS-Entwicklungsprojekte versprechen sogar eine zu CCD-Sensoren vergleichbare Bildqualität.
Aufgrund der einfachen Integration wird die Nachfrage nach Kameras mit 29 mm x 29 mm Footprint weiter steigen und Digitalkameras werden sich sicher in neue Märkte hineinbewegen. Das Gleiche kann man auch für die Power-over-Ethernet Technologie erwarten, die in weitaus mehr Kameras als heute Einzug halten wird. Bei den Software-Komponenten wird sich Windows 7 schneller als Windows Vista einen nennenswerten Marktanteil bei den eingesetzten Betriebsystemen sichern. Versionen für Embedded Minimalsysteme oder für Mobile Systeme werden Microsoft helfen, auch Nischen im Vision-Markt zu besetzen. Dabei wird sich wohl die 64 Bit- Variante mit ihrer unbeschränkten Speichermengen-Unterstützung durchsetzen, denn mehr Speicher bedeutet mehr Betriebssicherheit. Zudem benötigen gerade Anwendungen mit Farbbildern eine bis zu dreifach größere Speichermenge als Schwarz-Weiß-Bilder. Dieser Trend wird von den allgemein fallenden Preisen für Speicher beschleunigt.
Der Autor Dipl.-Ing. Werner Borchert ist Senior Produktmanager bei Basler Vision Technogies, Ahrensburg.
Direkt Link zur Basler Kamera-Übersicht:
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Vision 2010
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Im Jahr 2009 machte nicht nur der Markt für industrielle Bildverarbeitung eine seiner schwersten Krisen seit Bestehen durch. Die Wirtschaft stotterte weltweit, und die wenigsten Manager dachten an Expansion oder an eine Erweiterung der Produktionskapazitäten.
Krisen sind aber auch Nährboden für Veränderungen und Innovationen. So zwang die Krise die Hersteller von Komponenten und Inspektionslösungen dazu, ihre Produkte technisch zu verbessern und gleichzeitig preisgünstiger zu machen. Der Kamerahersteller Basler führte beispielsweise die Kameraserie ace ein, die trotz günstiger Einstiegspreise ab 299 € den für Digitalkameras üblichen Funktionsumfang besitzt, ohne Abstriche bei der Qualität zu machen. Die diesjährige VISION 2010 in Stuttgart ist für Basler ein schöner Anlass, zusammenzufassen, was sich im vergangenen Jahr im Kameramarkt getan hat und was für die jüngere Zukunft erwartet werden kann.
GigE-Kamera Technologie etabliert sich als Standard für Industriekameras
Mit der Gigabit Ethernet-Technologie (GigE), d. h. der Übertragung von Digitalkamera-Bildern über Ethernet, lassen sich inzwischen nahezu alle Standard-Inspektionsaufgaben realisieren. Die GigE-Technik bietet eine Übertragungsbandbreite von ca. 100 1-Megapixel- Bildern pro Sekunde (100 MByte/s) über eine Entfernung von bis zu 100 m. Dabei können preisgünstige Komponenten wie Kabel, Verteiler (Switches) und PC-Einsteckkarten aus dem Massenmarkt verwendet werden.
Die Wirtschaftskrise verstärkte die Nachfrage nach günstigen GigE-Kameras und Zubehör. Als Reaktion auf diese Anforderungen zeigten nahezu alle großen Kamerahersteller auf der VISION 2009 neue GigE-Kameraprodukte.
Und die, die noch keine zeigen konnten, kündigten diese zumindest an. Selbst bedeutende Vertreter anderer Übertragungstechnologien, beispielsweise der japanische Hersteller Sony mit seinem FireWire-Interface, veränderten ihre Produktstrategie hin zu GigE. Die GigE-Technik ist damit die aktuell deutlich dominierende Übertragungs-Interface-Technik für Industriekameras. Die Anwender profitieren hierbei durch einen breiteren Wettbewerb und ein größeres Produktangebot.
Variantenvielfalt zur Kundenbindung - Plattformen machen’s möglich
Während es in der Vergangenheit üblich war, nur ausgewählte Sensoren eines Sensorherstellers in eine Kamerafamilie zu integrieren, finden die Kunden heutzutage bei führenden Kameraherstellern fast alle gängigen Typen der großen Sensorlieferanten Sony, Kodak, Aptina usw. Meist sind sogar die verschiedenen Sensor-Technologien wie CCD mit ihrer guten Bildqualität und CMOS mit den schnellen Bildraten in einer Familie zu finden.
Basler führte beispielsweise bereits 2006 die Kameraserie scout mit zwölf Sensormodellen ein. Zurzeit umfasst das scout-Portfolio mehr als 50 Modelle. Dabei variieren neben Sensorauflösungen auch Bildeinzugsgeschwindigkeiten oder Sensorgrößen – allein bei den scout VGA-Kameras gibt es z. B. Sensoren mit 1/4“, 1/3“ und 1/2“.
Basis für diese Vielfalt sind ausgefeilte Kameraplattform-Designs, mit denen Hersteller in der Lage sind, Varianten mit nur geringen Anpassungen in Mechanik oder Software aufzunehmen. Dies spart Zeit und Entwicklungskosten, so dass auch eine Integration von exotischen Sensoren trotz niedriger Stückzahlen kommerziell sinnvoll sein kann. Durch solche Portfolio-Erweiterungen finden Kunden schneller das passende Kameramodell für ihre Anwendung – oftmals ohne Kamerafamilie, Technologie oder Lieferant wechseln zu müssen.
Schrumpfende Gehäusegröße und PoE öffnen neue Märkte
Zwei weitere Neuerungen des Jahres 2009 erleichtern den Anwendern das Systemdesign: Power over Ethernet-Funktionalität und kleine Baugrößen.
Power over Ethernet (PoE) bezeichnet die bereits lange im Telefonmarkt verwendete Technologie, zusammen mit den Dateninformationen auch den Versorgungsstrom für das Endgerät über nur ein Kabel zu transportieren. Dabei fügt der so genannte Injektor Strom und Daten zusammen, während der Splitter in der Kamera diese wieder von einander separiert. Als Ergebnis lassen sich ein Stecker und ein Kabel in der Installation sparen. Switches in einer Kamera-Netzwerk-Installation dienen dann sowohl zur Daten auch zur Stromverteilung.
Die zweite Neuerung betrifft die Baugröße der Kamera. Je kleiner und leichter eine Kamera ist, desto einfacher kann sie auch in beengte und verwinkelte Platzverhältnisse integriert werden. Die komplette Inspektionslösung kann so ebenfalls kleiner gemacht und vielfältiger eingesetzt werden. Dabei ist besonders der Footprint, die Frontfläche der Kamera, entscheidend. Mit 29 mm x 44 mm legte Sony mit seinen Analogkameras vor Jahren einen »Defacto-Standard« fest. Diesem Footprint-Maß folgte bislang die überwiegende Anzahl der digitalen Kameras mit den unterschiedlichen Daten-Interfaces wie FireWire, Camera Link oder auch GigE.
Der kleinere Footprint von 29 mm x 29 mm galt lange als technische Herausforderung für GigE-Kameras. Die 2009 auf der VISION Stuttgart vorgestellte Basler ace Kamerafamilie vereinte erstmalig PoE-Funktionalität und 29 mm x 29 mm Footprint. Mit einer Länge von nur 42 mm ist die ace eine der kleinsten Kameras mit diesen beiden Eigenschaften. In Kombination mit einem konsequent kostenoptimierten Produkt-Design lassen sich nun neue Märkte neben der produzierenden Industrie erschließen. Dabei reichen die möglichen Applikationen von medizinischen Geräten, die nicht nur exklusiv in Krankenhäusern, sondern auch bei Hausärzten Anwendung finden, bis hin zu Altwaren-Rücknahme-Systemen beim Discounter um die Ecke – neue Volumen-Märkte in denen kleine Baugröße, breiter Funktionsumfang und attraktive Produktpreisstrukturen die Einstiegsvoraussetzungen sind. Kameras wie die Basler ace zeigen solche Möglichkeiten auf und bewegen sich aus der Fabrik heraus in konsumentennähere Bereiche.
Welt der digitalen Kameras wird bunter
Marktstudien zeigen, dass sich der Anteil von Schwarz-Weiß- Kameras zu Farbkameras weiter zu Gunsten der Farbe verschiebt. Während in 2009 das Verhältnis prozentual bei ca. 60:40 lag, wird das Verhältnis für dieses Jahr auf 50:50 geschätzt.
Besondere Anforderungen an die Farbtreue und Farbtrennung durch die Kamera sind gegeben, sobald der Mensch anhand der Farbbilder Entscheidungen treffen soll. Die schwarz-weiß Rezeptoren im menschlichen Auge, die Stäbchen, helfen uns, auch schwache Lichtquelle zu erkennen. Die farbigen Zäpfchen lassen uns über 10 Millionen Farben oder Farbtöne unterschieden. Leider sind die Spektralkurven der kleinen Absorptionsfarbfilter auf den Pixeln des Kamerasensors nicht mit den einzelnen Spektralkurven der Zäpfchen identisch, so dass insbesondere bei Mischfarben leicht andere Töne auftreten können.
Dieses ist für die Bildverarbeitung an sich kein Problem, da sich die meisten klassischen Prüfaufgaben grundsätzlich gut in schwarz-weiß lösen lassen. Bei echten Farbaufgaben wird hingegen ein Referenzbild aufgenommen und dann die Farben mit dem laufenden Prüfobjekt verglichen. Bei der Farbkontrolle in einer schnell arbeitenden Druckmaschine werden beispielsweise die Prüflinge eingescannt und auf einem Monitor dargestellt. Der zuständige Mitarbeiter entscheidet dann aufgrund des Bildes, ob die Farben stimmen. Weißabgleich, Gamma-Korrektur und eine auf das System angepasste Farbkorrektur sind notwendig, um die erforderliche Farbtreue darzustellen – hohe Anforderungen an das Knowhow der Kamerahersteller.
Basler führt derzeit ein neuartiges Farbverarbeitungskonzept in seinen Kameras ein. Dieses liefert eine deutlich höhere Farbtreue und Farbtrennung, was in Applikationen aus den Bereichen Druck, Medizin oder Verkehr von zentraler Bedeutung ist. Die Farbqualität der Kameras ist in vielerlei Hinsicht der von 3CCDoder Tri-linear-Kameras ebenbürtig, bei deutlich niedrigeren Kosten. Basler erfüllt damit die steigende Nachfrage nach qualitativ hochwertigen, aber kostengünstigen Farbkameras
Kamerawelt von morgen
Wie mag sich nun die zukünftige Welt der digitalen Kameras darstellen? Die VISION 2010 in Stuttgart wird sicher zahlreiche Neuheiten hervorbringen und es wird sich zeigen, wo und wie die Hersteller einen weiteren Mehrwert für ihre Kunden generieren können. Einige Trends sind bereits sichtbar. Die Eigenschaften von CCD- und CMOS-Sensoren werden sich weiter angleichen. Die 4-Tap- CCD-Sensoren von Kodak, die z. B. in Baslers aviator Kamerafamilie Verwendung finden, können aufgrund von vier Datenausgängen die Pixelinformationen mit vierfacher Geschwindigkeit auslesen.
Dabei liefert die Basler aviator mit 1 Megapixel Auflösung bis zu 120 Bilder pro Sekunde bei bester homogener Bildqualität – ein enormer Geschwindigkeitszuwachs im Vergleich zu Kameras mit 1 Megapixel Sony CCD-Sensoren mit nur einem Datenausgang, die um die 30 Bilder pro Sekunde schaffen. Auf der anderen Seite gibt es CMOS-Sensoren, beispielsweise vom Hersteller CMOSIS, die auch bei 2 Megapixeln Auflösung und 350 Bildern pro Sekunde eine gute Bildqualität liefern. Andere laufende CMOS-Entwicklungsprojekte versprechen sogar eine zu CCD-Sensoren vergleichbare Bildqualität.
Aufgrund der einfachen Integration wird die Nachfrage nach Kameras mit 29 mm x 29 mm Footprint weiter steigen und Digitalkameras werden sich sicher in neue Märkte hineinbewegen. Das Gleiche kann man auch für die Power-over-Ethernet Technologie erwarten, die in weitaus mehr Kameras als heute Einzug halten wird. Bei den Software-Komponenten wird sich Windows 7 schneller als Windows Vista einen nennenswerten Marktanteil bei den eingesetzten Betriebsystemen sichern. Versionen für Embedded Minimalsysteme oder für Mobile Systeme werden Microsoft helfen, auch Nischen im Vision-Markt zu besetzen. Dabei wird sich wohl die 64 Bit- Variante mit ihrer unbeschränkten Speichermengen-Unterstützung durchsetzen, denn mehr Speicher bedeutet mehr Betriebssicherheit. Zudem benötigen gerade Anwendungen mit Farbbildern eine bis zu dreifach größere Speichermenge als Schwarz-Weiß-Bilder. Dieser Trend wird von den allgemein fallenden Preisen für Speicher beschleunigt.
Der Autor Dipl.-Ing. Werner Borchert ist Senior Produktmanager bei Basler Vision Technogies, Ahrensburg.
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