Bildverarbeitungsrechner mit Windows Embedded
Weder Box-PC noch Industrie-PC
In der Bildverarbeitung gibt es den Trend in Richtung Kompaktheit und Vereinfachung der Systeme, zusammengefasst unter dem Stichwort ‚Embedded Vision‘. Aber werden damit die Anforderungen an die Geräte einfacher? In der Regel nicht, da gut funktionierende BV-Systeme eher in ihrer Funktionalität ausgebaut und den Anforderungen in Richtung Kompaktheit gerecht werden sollen.
Industrierechner sind zwar als Lösung geeignet, da sie modular aufgebaut sind, robuste Komponenten verwenden und vom Hersteller über längere Zeit geliefert werden. Die Modularität ist jedoch allgemein gehalten, über PCIe-Steckplätze werden Framegrabber integriert, aber nicht für sämtliche Schnittstellen gibt es PCIe-Karten. So gesellen sich weitere Geräte dazu, wie z.B. Controller für den Anschluss von LED-Beleuchtungen. Ein Box-PC liefert üblicherweise zwei Dinge: Rechenleistung und einige Standard-PC-Schnittstellen. Kann die eigene Anwendung darauf heruntergebrochen werden, hat man Glück, denn Box-PCs bieten ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis. Allerdings sind die Anforderungen an einen Embedded-Bildverarbeitungsrechner meist deutlich komplexer: ausgefuchste Triggerbedingungen, kürzeste LED-Belichtungszeiten, viele Kameras am Rechner, Fragestellungen zur Echtzeit, Feldbuskommunikation usw. Die Lösung für diese Anforderungen bietet das VisionBox-Konzept.
Trigger-over-Ethernet
1997 gab es eine Idee: In der Nähe der Kameras platziert man einen Embedded-Rechner mit adäquater Rechenleistung. Aus der damaligen Idee der VisionBox ist inzwischen eine Großfamilie an Geräten entstanden. Harte Echtzeitbedingungen werden mit einem Echtzeitbetriebssystem erfüllt, das als Multitasking OS auf Multicoreprozessoren von Texas Instruments läuft. Aber es gibt auch Alternativen: Eine x86-Architektur in Kombination mit Windows 7 Embedded oder Linux als OS. Die Geräte haben einen Hardware-Echtzeitkern, der die Verarbeitung der I/O-Signale, die Ansteuerung der integrierten LED-Controller sowie die Kameratrigger- und Encodersignale übernimmt. Neu ist die Weiterleitung des Kamera-Triggersignals in Echtzeit über GigE. Mit ‚Trigger-over-Ethernet‘ wird ‚Power-over-Ethernet‘ endlich zur praxistauglichen Ein-Kabel-Lösung. Quer durch sämtliche Rechner zieht sich das Thema Kameraschnittstelle. GigE- und Camera-Link-Kameras gibt es auf allen Plattformen während USB3.0 den x86er-Varianten vorbehalten ist. Weiterhin aktuell ist Camera Link, da es z.B. immer noch bei den Zeilenkameras zum Einsatz kommt. Da die Rechner meist in Kameranähe montiert werden, spielen weder Kabellänge noch -kosten eine zentrale Rolle.
Kamera-/Maschinenanbindung
Das Zusammenspiel der Schnittstellen mit der Kamera- und Maschinenanbindung ist die Aufgabe der Middleware. Software, die es dem Anwendungsprogrammierer erleichtert, zügig sein Projekt zu realisieren. Damit ist ein Fundament von Komponenten, Firm- und Middleware geschaffen, das die Fehleranfälligkeit reduziert und eine mögliche Fehlersuche deutlich vereinfacht. In einer Verpackungsmaschine liefern z.B. vier Sensoren das Startsignal für Beleuchtung und Bildaufnahme von vier Einzelprüfungen. Schnelle, hochauflösende Kameras senden Bilder über vier autarke GigE-Ports direkt in den Arbeitsspeicher der Rechner. Die Bilder werden im Applikationsprogramm verarbeitet und auf einem Touchscreen in der GUI dargestellt. Statistiken und die Fernbedienung des Systems laufen über das Firmennetzwerk, während innerhalb der Maschine über ein Echtzeit-Ethernet-Feldbus kommuniziert wird. Die VisionBox erfüllt dabei die geforderten Echtzeitbedingungen, das heißt, die vier Sensoren sind am Rand eines Drehtellers montiert, die Beleuchtung wird geblitzt, während Kameras synchron dazu die Bilder aufnehmen. Die Statistik wird über das Firmennetzwerk versendet, während der Feldbus-Slave der Rechner mit dem Master Ergebnisse austauscht. Über die verstellbare Geschwindigkeit des Drehtellers konnte eine Prozesszeit von 35ms nachgewiesen werden. Das Szenario wird mit Hilfe der Middleware, die aus dem RealTime I/O-Controller der VisionBox, dem Feldbus-treiber sowie dem Netzwerkinterface besteht, abgebildet.
