High-Speed Kamera Technologie

» BAYER - Farbfilter

Fast alle Farbsensoren arbeiten nach diesem Prinzip (benannt nach Ihrem Erfinder Dr.Bryce E. Bayer).
 
Die lichtempfindlichen Zellen bzw. Pixel auf dem Sensor sind nur in der Lage, Helligkeitswerte zu unterscheiden. Daher wird bei der Herstellung von Farbsensoren direkt vor jedem Pixel ein winziger Farbfilter abwechselnd in einer der drei Grund-farben Rot, Grün oder Blau aufgebracht. 

In der weiteren Verarbeitung des Bildes werden diese gefilterten Einzelwerte wieder zu einem „Farbpixel“ verrechnet. Um eine Anpassung an die Sichtweise des menschlichen Auges zu erreichen (hat im Grün-Bereich eine wesentlich höhere Empfindlichkeit als bei anderen Farben), sind doppelt so viele Pixel mit einem Grünfilter ausgestattet, als mit einem Rot- und Blaufilter.

» Burst Trigger Mode

Üblicherweise legt ein Triggerereignis bei der Kamera fest, wann eine Aufzeichnung beginnt, nach einem festgelegten Zeitraum (oder wenn der Speicher voll ist) wird sie angehalten.

Je nach Anwendungsfall wird auch durch die zweite Aktivierung des Triggers die Aufnahme beendet.

Im Burst Trigger Modus hingegen zeichnet die Kamera so oft und so lange Bilder auf, wie der Trigger aktiv ist (ähnlich dem Funktionsprinzip eines Maschinengewehrs).

» CMOS / CCD - Technologie

Diese Abkürzungen bezeichnen die zwei verbreitetsten Sensortechnologien und beschreiben den inneren Aufbau des Sensorchips : 

CMOS“: Complementary Metal-Oxide Semiconductor; 
CCD“: Charge Coupled Device

CCD
:
Ein CCD-Sensor liefert pro Pixel eine elektrische Ladung, also eine der vorausgegangenen Belichtung entsprechende Menge an Elektronen. Diese müssen von einer nachgeschalteten Elektronik pixelweise erfasst, in Spannung verwandelt und dann in einen Binärwert umgerechnet werden.
Dieser Vorgang benötigt relativ viel Zeit. Es muss zudem immer das gesamte Bild eingezogen werden, so dass hohe Auflösung eine sehr leistungsfähige Nachverarbeitung erfordert.

CMOS:
CMOS-Bildsensoren sind billiger zu produzieren und zugleich bieten sie die Möglichkeit, bereits auf dem Chip weitere Schaltungen oder eine Signalvorverarbeitung zu integrieren.

Die Information eines jeden Pixels kann bereits fertig digitalisiert geliefert
werden. 

Deshalb kann die Kamera kleiner gebaut werden und der gezielte Zugriff auf einzelne Pixelbereiche („RoI“, Region of Interest) wird möglich. Durch weniger externe Schaltungstechnik sinkt der Stromverbrauch und die Bilddaten der Kamera können schneller ausgelesen werden.

» Dynamic Range Adjustment

Das menschliche Auge verfügt über einen sehr großen Dynamikbereich, d.h. es ist in der Lage, sowohl sehr schwache Lichteindrücke (Kerzenlicht, Sternenhimmel) als auch extreme Lichtverhältnisse (gespiegeltes Sonnenlicht auf einer Wasseroberfläche) hervorragend auswerten zu können.

Dies entspricht etwa einem (logarhithmischen) Dynamikbereich von über 90dB. Das heisst, Objekte, die im Vergleich zueinander die 1,000,000,000-fach unterschiedliche Lichtmenge aussenden, können beide gut erkannt werden.

Im Gegensatz dazu hat eine CMOS-Kamera einen linearen Empfindlichkeitsverlauf von 60dB, das entspricht einem Verhältnis von 1:1000. 

Wenn also die Aufnahmesituation beispielsweise verlangt, relativ dunkle Bauteilebeschriftungen trotz der Reflektionen eines Schweissvorgangs zu erkennen, stösst ein normaler CMOS-Sensor schnell an seine Grenzen.

Deshalb ist es bei Kameras mit Dynamic Range Adjustment möglich, den linearen Empfindlichkeitsverlauf in einstellbaren Bereichen anzupassen und dort hin einen grösseren Tonwertumfang zu verlagern. So können z.B. im Bereich der hellen Reflektionen auch mimimale Helligkeits- bzw. Tonwertunterschiede erfasst werden.

» Fixed Pattern Noise (FPN)

Jede einzelne Photodiode bzw. jeder Sensorpunkt einer CMOS-Kamera hat bauartbedingt ein geringe Toleranz.  D.h. selbst ohne Lichteinfall geben die Dioden unterschiedliche  Fehlsignale ab.

Damit dies nicht zu einer Verfälschung des Bildes führt, wird beim Einschalten (ähnlich dem Weißabgleich der Digitalfotokamera) mit einem Dunkelbild verglichen, das nur diese Unterschiede enthält.

Sobald der Sensor Bilder liefert, wird der ermittelte Fehlbetrag für jeden einzelnen Bildpunkt wieder ausgeglichen. Erst dadurch erscheint z.B. eine weisse Fläche im Ausgabebild auch wieder gleichmässig weiss.

» Gigabit Ethernet (GigE)

GigaBit Ethernet ist eine Datenübertragungstechnik, die es ermöglicht, Daten innerhalb von Netzwerken zwischen verschiedenen Geräten (Server, Drucker, Massenspeicher, Kameras) zu übertragen.

Während Standard Ethernet für die Übertragung grosser Bilddatenmengen zu langsam ist, kann Gigabit Ethernet (GigE) mit einer maximalen Übertragungsrate von 1000 Mbit/s oder 1 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) eine zuverlässige Übertragung von Bilddaten schneller Machine Vision Kameras gewährleisten.

» GigE Vision

Ein von der AIA entwickelter, neuer Schnittstellenstandard für hochleistungsfähige Bildverarbeitungskameras, optimiert auf die Übertragung großer Bilddatenmengen.
GigE Vision baut auf die Netzwerkstruktur von Gigabit Ethernet auf. Der GigE Vision-Standard umfasst sowohl einen Hardware-Schnittstellenstandard (Gigabit Ethernet) und Kommunikationsprotokolle als auch standardisierte Kommunikations- und Steuerungsarten für Kameras. Die GigE Vision-Kamerasteuerung basiert auf einer Befehlsstruktur namens "Gen<I>Cam".

GenICam richtet eine allgemeine Kamera-Steuerschnittstelle ein, damit Fremdanbieter-Software mit den Kameras verschiedener Hersteller ohne weitere Anpassungen kommunizieren kann.

 

» Multi Sequence Mode

In dieser Aufnahmeart wird der verfügbare Speicherplatz der Kamera in viele Einzelsequenzen zerlegt. Bei jedem Triggerereignis (z.B.Tastendruck oder Lichtschranke löst aus), wird eine definierte Anzahl Bilder abgespeichert.

Für mehrfach auftretende Ereignisse kann man so durch Vergleich der einzelnen Varianten leichter Fehler oder Abläufe analysieren.

Es kann auch eingestellt werden, dass immer eine definierte Anzahl Bilder vor und nach dem Triggerzeitpunkt mit abgespeichert werden.

 

» SOBEL - Kantenfilter

Bei Bildverarbeitungsaufgaben wie Bewegungsanalyse, Positionskontrolle oder Objekterkennung kommt es oft darauf an, ausschliesslich bestimmte Kanten, Konturen oder Koordinaten zu bestimmen.

Der Mikrotron Sobel Kantenfilter-algorhithmus reduziert dazu bereits im FPGA –Chip der Kamera den Datenstrom um mehr als 80%, indem er in Echtzeit nur die benötigten Informationen herausfiltert.

Es müssen deshalb wesentlich weniger Daten weiterverabeitet und übertragen werden, die Übertragungsgeschwindigkeit steigt enorm.

» Suspend to Memory Mode

Der Betrieb der Kamera wird auf die Erhaltung der gespeicherten Aufnahmen reduziert, durch den geringeren Stromverbrauch bleibt die Akkuladung wesentlich länger erhalten.

Ausgelöst wird dieser Modus entweder automatisch nach erfolgter Aufnahmesequenz oder manuell per Tastendruck.

Selbst wenn (z.B. wegen Umbau der Anlage) die Stromversorgungskabel entfernt werden mussten, kann man die Aufnahmen bis zu 24Stunden später noch auslesen.

 

Kameratechnik

» ASA/ISO

„ASA“ steht für die US- Norm der American Standards Association und gibt die Lichtempfindlichkeit eines Films oder einer Digitalkamera an.

ASA ist eine lineare Angabe, das heißt: eine Kamera mit 200 ASA ist doppelt so empfindlich wie eine Kamera mit 100 ASA, erstellt somit ein gleich belichtetes Bild bei der halben Verschlusszeit (oder bei einer Blendenstufe weniger).

Die Angabe nach dem internationalen Standard ISO (Internationale Organisation für Normung) kombiniert die Zahlenwerte von ASA und der deutschen DIN-Norm, daraus ergibt sich also beispielsweise die Empfindlichkeitsangabe ISO 100/21°.

» Auflösung

Bei gegebenem Abstand zum Objekt und einer bestimmten Objektivbrennweite entscheidet die Pixelzahl des Sensors über die kleinsten sichtbaren Details.

Bietet der Sensor der Kamera hinreichende Auflösung für die typischerweise zu analysierenden Details? Teilen Sie dazu näherungsweise den gewählten Bildausschnitt durch die Pixelanzahl (in Höhe oder Breite) der Kamera und sie bekommen die Detailgröße pro Pixel.

Kleinere Details sind nicht zu erkennen. Man kann dann natürlich den Abstand verringern oder eine längere Brennweite einsetzen. Dabei verkleinert sich jedoch der Bildausschnitt.

» Aufnahmegeschwindigkeit / Bildrate (fps)

Die Aufnahmegeschwindigkeit einer Highspeed-Kamera, meist ausgedrückt in fps (Frames per Second = Bilder pro Sekunde) ist in mehr oder weniger weiten Grenzen skalierbar.

Das ermöglicht die Anpassung der Bildfrequenz an die Geschwindigkeit des zu analysierenden Vorgangs - typischerweise unter Verzicht auf vertikale Auflösung.

Verringert man nämlich mit dem RoI-Rahmen die Bildhöhe, steigt dafür die mögliche Aufnahmegeschwindigkeit. Bei hochwertigen Kameras können so in einem relativ schmalen Bildausschnitt bis 30.000 Bilder pro Sekunde aufgenommen werden.

In den verschiedenen Übersichten wird die obere Bildfrequenz, die mit einem Streifen von etwa 20 Zeilen Höhe erzielbar ist , so angegeben: ...30.000 fps 

Grund dafür ist die Ausleselogik der CMOS-Bildsensoren: Gelesen wird zeilenweise. Da der begrenzende Faktor der Bildfrequenz der mögliche Bild-Datenstrom ist (Megabyte/Sekunde), werden mehr Bilder erzeugt, wenn jedes Bild weniger Zeilen enthält. Die Bildbreite spielt dabei keine Rolle. Sie beeinflusst nur den Speicherbedarf. 

Diese aufwändige Technologie findet sich in der Regel jedoch nur in höherwertigen Kameras.

» Auslöser / Trigger

Die Steuerung einer Hochgeschwindigkeitsaufnahme kann sich schwierig gestalten, wenn man ein zu einem nicht genau bekannten Zeitpunkt eintretendes Ereignis treffen muss.

Das Ereignis selbst wird oftmals der Auslöser sein müssen. Dafür kann man z.B. Lichtschranken oder andere vom Ereignis ausgelöste Signale einsetzen. In vielen Fällen genügt allerdings ein Handschalter oder ein Tastendruck am Steuer-PC.

Für ganz sicheres Timing gibt es bei unseren Spitzenmodellen den patentierten "ImageBLITZ".

 

» Bildspeicher

Der Bildspeicher einer Hochgeschwindigkeitskamera ist das gleiche wie früher der Film. Er entscheidet also über die Menge der speicherbaren Bilder, bzw. bei bestimmter Bildgröße und Aufnahmefrequenz die maximale Aufnahmedauer.

Je kleiner das Bild eingestellt wird, desto mehr Bilder können gespeichert werden. Bei gleich bleibender Bildfrequenz steigt damit also die Aufnahmedauer, wenn per RoI-Funktion das Bildformat verkleinert wird. Nutzt man bei reduzierter Bildhöhe die dann mögliche, höhere Bildfrequenz, bleibt die Aufzeichnungsdauer allerdings so kurz wie vorher.

Bei unseren Kameras können alle Parameter in Grenzen unabhängig voneinander eingestelt werden.

» Ereignis - Vorgeschichte

Würde die Aufnahme erst beginnen, wenn das Ereignis gemessen oder wahrgenommen wird, wäre eine Analyse der Vorgeschichte unmöglich. 

Deshalb sollte der Auslöser einer Highspeed-Kamera so funktionieren, dass die Kamera eine zu bestimmende Anzahl von Bildern vor dem Triggersignal aufbewahrt, um dann den Rest des Speichers noch mit den danach folgenden Ereignissen zu füllen.

Andernfalls ist eine vollständige Ereignisauswertung nicht möglich. MotionBLITZ® Kameras können den Trigger von 100% Vorgeschichte (die Aufnahme wird mit dem Trigger gestoppt) bis 100% Nachlauf (die Aufnahme beginnt mit dem Trigger) justieren.

» ImageBLITZ - Selbstauslöser

Wie erwischt man ein Ereignis, das zu einem unvorhersehbaren Zeitpunkt eintritt, das man nicht messen oder rechtzeitig wahrnehmen kann? 

Mikrotron hat für solche Fälle die Funktion "ImageBLITZ" entwickelt , um aus dem Bildinhalt heraus zu triggern.

In vielen Fällen wird damit jeder zusätzliche Aufwand zur Aufnahmesteuerung überflüssig, denn die Kamera ‚sieht‘ selbst, wann das Ereignis eintritt.

Der ImageBLITZ wird vom Anwender innerhalb weiter Grenzen so eingestellt, dass er nur auf die vom erwarteten Ereignis ausgelöste Veränderung des Bildinhalts reagiert.

» IRIG-B - Synchronisation mehrerer Kameras

IRIG-B ist ein Zeitcode, der ursprünglich von der Inter-Range Instrumentation Group definiert wurde. 

Er wird heute aus dem weltumspannenden GPS Signal gewonnen, und dient zur Synchronisation von Messungen in industriellen und militärischen Anwendungen.

Der meistgebrauchte IRIG-B code ist ein amplitudenmoduliertes 1KHz Sinussignal das denTag des Jahres, die Stunden, Minuten und Sekunden des Tages am 0-Meridian (Greenwich, Grossbritannien, GMT) einmal pro Sekunde liefert.

In Hochgeschwindigkeitsaufnahmen wird diese Zeit in jedes aufgenommene Bild zum Zeitpunkt der Belichtung eingetragen. Gleichzeitig synchronisiert der 0-Durchgang des 1KHz IRIG-B Trägersignals den Beginn einer jeden Aufnahme auf Bruchteile von Mikrosekunden genau.

Jedes Bild, egal an welchem Ort der Erde, und unabhänging von der in der Kamera eingestellten Bildrate, ist damit zum gleichen Zeitpunkt belichtet worden.

» Kompaktbauweise

Ein Universalgenie gibt es auch nicht bei den Hochgeschwindigkeitskameras. 
Damit trotzdem für möglichst jede Aufnahmesituation eine Lösung bereit steht, entwickeln wir Machine Vision- und Hochgeschwindigkeitskameras mit kleinstmöglichen Abmessungen.

Denn wir wissen, dass es in vielen Fällen eng zugeht, und dass einfaches Handling ein wichtiges Merkmal eines jeden guten Messgerätes ist.

Das massive, gefräste Aluminium-Gehäuse schützt die Elektronik bestmöglich - so gut, dass unsere stoßfeste ‚Hi-G‘ Version der MotionBLITZ -Baureihe Belastungen bis zum 100- fachen der Erdbeschleunigung aushält.
Damit qualifiziert sie sich als mitfahrender Beobachter in Crashtests der internationalen Autoindustrie.

» Linear - oder Ringspeicher

Unsere Zeitlupenkameras können im Linear- oder Ringspeicher-Modus betrieben werden. 

Linearbetrieb ist bei Crashtests üblich, denn dort ist alles exakt aufeinander abgestimmt, alle Kameras sind synchronisiert, man steuert die Aufnahme genau so, dass das Ereignis exakt wie gewünscht in einer einzigen linearen Bildsequenz aufgezeichnet wird.

Ringspeicherbetrieb heißt, dass die Kamera permanent aufzeichnet. Sobald der Speicher voll ist, wird das jeweils älteste Bild überschrieben (FiFo-Buffer). 

Damit steht immer eine Vorgeschichte entsprechend der verfügbaren Speichergröße zur Verfügung. Die eingestellte Triggerposition entscheidet dann, wieviel Vorgeschichte nach dem Trigger gespeichert wird.

» Multi-Sequenz Speicher

Nicht jede Zeitlupenanalyse beschäftig sich mit zerstörenden oder anderweitig einmaligen Vorgängen. Wertvolle Erkenntnisse über Resonanzmechanismen, Prozessschwankungen, und andere Kennzeichen unberechenbarer sporadischer Ereignisse lassen sich aus dem Vergleich von Highspeed-Videos solcher Vorgänge gewinnen.

Zur Analyse länger dauernder Vorgänge kann es hilfreich sein, ‚Zeitlupen- Stichproben‘ zu nehmen. Einschwingvorgänge lassen sich so trotz der relativ beschränkten Aufnahmedauer der digitalen Hochgeschwindigkeitskamers recht gut untersuchen.
Für solche Fälle haben wir den Multisegment-Speicher entwickelt. Der verfügbare Kameraspeicher lässt sich damit in zwei bis 16 Segmente unterteilen, die jeweils durch ein Triggerereignis beschrieben werden.

Die vorherige Triggerposition wird absolut beibehalten, muss also evtl. nachjustiert werden. Sobald die Anzahl der Triggerereignisse die eingestellten Segmentzahl erreicht, beendet die Kamera die Aufnahme.

 

» RoI - Bildbereichsauswahl

Einstellung und Positionierung des Bildbereichs, auch ‚Region of Interest - RoI‘ genannt. Man kann der Kamera vorschreiben, welcher Bereich des Bildsensors tatsächlich gelesen werden soll.

Dieser stets rechteckige Bereich kann frei auf der verfügbaren Sensorfläche, bzw. im Bildfeld der Kamera, positioniert werden.

Die Auflösung des aufgenommenen Videos verringert sich entsprechend der Verkleinerung des Bildausschnitts.

Damit ist nach Ausrichtung der Kamera eine Feinjustage des Bildausschnitts am Steuer-PC möglich.

Objektive

» Anschlussnormen

Die am weitesten verbreiteten Objektivanschlüsse sind C-Mount und F-Mount. Weiterhin ist gelegentlich CS-Mount anzutreffen.

C -Mount: ist ein 1“-Feingewindeanschluss, der für Industriekameras zur Bildverarbeitung und Überwachung faktisch Standard ist.
Auf einen sehr schnellen Objektivwechsel, wie bei Fotokameras üblich, wird beim C-Mount zugunsten eines festen Sitzes des C-Mount-Objektivs im Dauerbetrieb und im rauen Serviceeinsatz verzichtet. Der Nachteil des etwas langsameren Wechsels wird dabei gern in Kauf genommen.

F-Mount: ist ein ursprünglich von Nikon für Kleinbildkameras entwickelter Bajonettanschluss. Das F-Mount-Objektiv wird auf den Objektivflansch aufgesetzt und mit einer leichten Drehung verriegelt.

Die Ausleuchtung des großen Sensors unserer Hochgeschwindigkeitskameras ist perfekt, denn der Bildkreis eines F-Mount-Objektivs hat einen Durchmesser von mindestens 45 mm.

» Arbeitsabstand

Der Arbeitsabstand eines Objektivs ist normalerweise ein Minimalwert. Lediglich im Makromodus haben Objektive auch einen maximalen Arbeitsabstand.

Er beschreibt die mögliche Entfernung der vorderen Objektivöffnung vom Objekt, um es noch scharf abbilden zu können. Der Objektiv-Einstellring für die Schärfe hat normalerweise eine Meter-Skala, deren Minimalwert eben diesen Mindestabstand als kleinsten Wert angibt. 

Somit liegt bei fester Brennweite auch der maximal mögliche Abbildungsmassstab fest. Will man näher an das Objekt heran, um es größer abzubilden, ist entweder ein Objektivwechsel hin zu längerer Brennweite oder ein Zwischenring fällig. Der Zwischenring ist die umständlichere, aber deutlich billigere Lösung.

Leider verringert er ausser dem Arbeitsabstand auch deutlich den verfügbaren Schärfen-Einstellbereich, also die Flexibilität der Kameraaufstellung.

» Bildausschnitt & Brennweite

Aus Breite [B] oder Höhe [H] des gewünschten Bildausschnitts, dem Abstand zum Objekt [D]und der entsprechenden Abmessung des Bildsensors [b] bzw. [h] folgt die Objektiv-Brennweite [f] gemäß folgender Formel (alles in mm):

  • bei vorgegebener Breite: f = D x b/B
  • bei vorgegebener Höhe: f = D x h/H

» Bildkreis - Durchmesser

Objektive für Digitalkameras werden hinsichtlich des Bildkreises spezifiziert.
Damit wird der Durchmesser des kreisförmigen Bildes beschrieben, das das Objektiv auf die Sensorfläche projiziert.

Wenn der Durchmesser des Bildkreises kleiner ist als der Sensor, bekommt man Abschattungen am Bildrand, die je nach Ausmaß einen ‚Schlüsselloch-Effekt‘ verursachen.

Manchmal lohnt es, dies in Kauf zu nehmen, um z.B. eine mikroskopische Aufnahme mit einem Spezialobjektiv oder einem Endoskop zu machen, die es typischerweise nicht für große Bildkreise gibt.

 

» Lichtstärke

Licht hat man bei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen selten zuviel. Deshalb ist die Lichtstärke des verwendeten Objektivs oftmals entscheidend.

Wie in der Fotografie gilt die Regel, dass eine Blendenstufe weniger (z.B. 2.8 auf 2.0) einer Halbierung der Belichtungszeit entspricht. 

Kann man also mit einem F2.8-Objektiv bei offener Blende noch gute 500 Bilder/s aufnehmen, müsste man für 1000 Bilder/s auf Blende 2.0 öffnen - oder auf ein entsprechend lichtstarkes Objektiv wechseln.

 

» Zoomobjektive

Optimal wäre ein 18-200mm Zoom mit Lichtstärke F1.0, also ohne Verluste. Das gibt es leider nicht, denn ein Zoom enthält viele Linsen, die viel Licht ‚schlucken‘. Flexibilität kostet demnach Lichtstärke. Das spiegelt sich in einem relativ hohen Wert der maximalen Blendenöffnung wieder.

Unter F2.8 bis 3.5 ist kaum etwas zu finden, ausser man nimmt einen sehr hohen Preis in Kauf.

Andererseits bietet ein Zoomobjektiv für die tägliche Arbeit mit der Hochgeschwindigkeitskamera große Vorteile: Man kann meist ohne jeden Aufwand das Kamerastativ aufstellen, stellt den gewünschten Bildausschnitt ein - und macht seine Aufnahme.

Wird es jedoch eng mit dem Licht, kann man nur auf Festbrennweiten- Objektive ausweichen. Die kommen mit deutlich weniger Linsen aus, haben daher weniger Verluste - und sind auch deutlich preiswerter.