Funktion und Anwendung von Frame Grabbern in der Bildverarbeitung

Die Technologie der maschinellen Bildverarbeitung wird in zahlreichen Bereichen wie der industriellen Produktionsinspektion, der Gesundheitsversorgung, dem Transportwesen und anderen Branchen eingesetzt, um Automatisierung und Intelligenz zu verwirklichen. Das gesamte System der maschinellen Bildverarbeitung lässt sich in zwei Hauptmodule unterteilen: Bildaufnahme und Bildverarbeitung. Die Frame Grabber-Karte fungiert dabei als Schnittstelle zwischen dem Bildaufnahme- und dem Bildverarbeitungsteil und spielt somit eine entscheidende Rolle.

In einem System der maschinellen Bildverarbeitung besteht das Modul der Bildaufnahme hauptsächlich aus einer Industriekamera, einem Industrieobjektiv und einem Beleuchtungssystem, während das Modul der Bildverarbeitung durch Software zur Bildverarbeitung realisiert wird. Die Frame Grabber-Karte kann als Schnittstelle zwischen der Industriekamera (Videoquelle) und dem Computer (Software) verstanden werden. Die von der Frame Grabber-Karte erfassten Bilder werden dem Computer oder anderen Prozessoren zur Verarbeitung zugeführt.

I. Prinzip der Frame Grabber

Zunächst dient der spezifische Bereich der realen Welt, der von der Kamera und dem optischen System »gesehen« wird, als optisches Signal. Danach wandelt der CCD- oder CMOS-Chip das optische Signal in ein elektrisches Signal um. Die Kamera gibt das Videosignal in einem bestimmten Format oder Protokoll an den Framegrabber aus. Jedes Pixel drückt unabhängig die Lichtintensität in Form eines Grauwerts aus. Diese Lichtintensitätswerte werden von der Matrix des CCD- oder CMOS-Chips übertragen und in einer Matrix-Datenstruktur im Speicher gespeichert; der Framegrabber ist der Vermittler für diese Übertragung.

II. Gängige Parameter von Framegrabbern

1.  A/D-Wandlung: Framegrabber können analoge Signale in digitale Signale umwandeln und spielen bei der Bildaufnahme des gesamten maschinellen Sehsystems eine wesentliche Rolle. Diese Analog-zu-Digital-Wandlung, die vom Framegrabber in einem maschinellen Sehsystem durchgeführt wird, wird als A/D-Wandlung bezeichnet, und das entsprechende Bauteil, das die Wandlung realisiert, wird als A/D-Wandler bezeichnet.

2.  Abtastrate: Die Abtastrate spiegelt die Geschwindigkeit und Fähigkeit des Frame Grabbers bei der Bildverarbeitung wider. Während der Bildaufnahme muss darauf geachtet werden, ob die Abtastrate des Frame Grabbers den Anforderungen entspricht.

3.  On-Board-Frame-Buffer (Auflösung): Dies bestimmt das maximale Pixelraster, das der Frame Grabber unterstützen kann, und zeigt somit seine Auflösungsleistung, d. h. die maximale Kameraauflösung, die er unterstützen kann.

4.  Anzahl der Übertragungskanäle: Die Fähigkeit des Frame Grabbers, Bilder von mehreren Kameras gleichzeitig aufzunehmen. In der Praxis müssen manchmal mehrere Visionssysteme gleichzeitig arbeiten, um eine bestimmte Produktionsleistung zu gewährleisten. Daher muss der Frame Grabber zur Erfüllung der Systemanforderungen die A/D-Wandlung mehrerer Kameras gleichzeitig durchführen. Gängige Übertragungskanaloptionen für Frame Grabber am Markt umfassen derzeit Einzelkanal, Dualkanal, Vierfachkanal usw.

III. Klassifizierung von Frame Grabbern

1.  Basierend auf Eingangssignal-Typ: Analoge Framegrabber und digitale Framegrabber. Häufig erwähnte GigE-Karten und USB-Framegrabber sind Arten von digitalen Framegrabbern.

2.  Nach Funktion: Grabber mit reinen Erfassungsfunktionen und Grabber mit integrierten Bildverarbeitungsfunktionen. Mit der ständigen Weiterentwicklung von Bildverarbeitungsalgorithmen, Bildverarbeitungsworkstations, GPU-Technologie und Smart Cameras schrumpft der Verwendungsbereich für Grabber mit integrierten Bildverarbeitungsfunktionen, und ihre Bildverarbeitungsfunktionen werden zunehmend eingeschränkt.

Iv. Auswahl von Framegrabbern

Faktoren, die bei der Auswahl eines Framegrabbers zu berücksichtigen sind:

1. Signal-Interface-Typ: Die Videosignal-Schnittstelle (Typ) der Kamera und des Framegrabbers müssen übereinstimmen: analoge Signale werden mit analogen Framegrabbern verbunden; digitale Signale mit digitalen Framegrabbern. Es gibt analoge Signal-Schnittstellen und digitale Signal-Schnittstellen. Analoge Signal-Schnittstellen umfassen BNC, RCA (Phono-Stecker), S-Video. Digitale Signal-Schnittstellen umfassen CameraLink, Gigabit Ethernet (GigE), CoaXPress (CXP), CLHS, USB 3.0 & 2.0 usw.

2. Abtastrate (Frame Rate): Die Abtastfrequenz des Framegrabbers ≥ die Ausgabefrequenz der Kamera. Die Anforderung an die Abtastfrequenz des Framegrabbers kann wie folgt berechnet werden:

Für analoge Framegrabber: Abtastfrequenz ≥ 1,2 * R * FPS

Für digitale Framegrabber: Abtastfrequenz ≥ Kamera-Abtastfrequenz

Hinweis: R ist die Auflösung der Kamera, FPS ist die Bildrate der Kamera.

3. Software Development Kit (SDK): Der ausgewählte Frame Grabber sollte über ein stabiles, einfaches, benutzerfreundliches, leistungsstarkes und portables SDK verfügen. Zudem sollte die Produktlinie etabliert sein, um Upgrades zu erleichtern.