Frame Grabber – karta interfejsu

Przechwytuj, konwertuj, przetwarzaj

Żyjemy w świecie cyfrowych danych. Prawie wszystkie nasze urządzenia elektroniczne używają pamięci do przechowywania naszych danych. Maile, zdjęcia, filmy, wiadomości – te dane mogą często zajmować setki megabajtów i więcej. W aplikacjach widzenia maszynowego ilości generowanych i przesyłanych danych mogą być ogromne. Często standardowe interfejsy komputerowe nie są w stanie obsłużyć tak dużych wartości i aby poradzić sobie z tym wyzwaniem, został opracowany tzw. frame grabber – karta pośrednicząca, która łączy kamerę z komputerem, przechwytuje klatki uchwycone przez kamerę i zapewnia płynny transfer danych do pamięci RAM urządzenia.

Interfejsy

Chociaż dzisiejsze konsumenckie urządzenia elektroniczne wykorzystują głównie łączność bezprzewodową, sfera przemysłowa wciąż preferuje połączenia przewodowe, aby zapewnić najlepszą szybkość i pewność transmisji danych oraz bezpieczeństwo połączenia. Współczesnych standardów interfejsów komputerowych, które stały się obowiązujące w wizji maszynowej, jest tak naprawdę niewiele, a każdy z nich ma swoje zalety i ograniczenia, więc ostateczną decyzję musi podjąć klient.

Camera Link

Camera Link to jeden ze standardowych interfejsów przemysłowych. Zaprojektowany z myślą o solidności i wysokiej wydajności, CL może być rozwiązaniem dla kamer we wszystkich przedziałach cenowych i dla szerokiej gamy specyfikacji – od małych kamer o niskiej rozdzielczości, po najwyższej klasy kamery z dużą liczbą klatek na sekundę i rozdzielczością kilku megapikseli. Interfejs Camera Link jest zalecany dla szybkości transmisji od 100 MB/s do około 800 MB/s. Aby zostały sklasyfikowane jako zgodne z Camera Link — komponenty muszą spełniać wymagania protokołu wymiany danych o tej samej nazwie, aktualnie w wersji 2.0.

Zalety

• Świetny kompromis między ceną a wydajnością

• wysokie szybkości transmisji danych

• kable znormalizowane

• duża różnorodność kompatybilnych komponentów

CoaXPress 2.0

Szybki interfejs, idealny wybór do aplikacji z wieloma kamerami o dużej przepustowości danych. Karty interfejsu CXP-12 mogą obsługiwać 12,5 Gb/s na kanał z maksymalnie 4 dostępnymi kanałami. CoaXPress 2.0 może w pełni korzystać z najlepszych kamer bez problemów i ograniczeń danych. Najwyższe możliwe transfery danych na duże odległości sprawiają, że CXP-12 jest unikalnym interfejsem w dziedzinie SN.

Zalety

• nadaje się do zastosowań o bardzo wysokim zapotrzebowaniu na transfer danych obrazowych (wysokie rozdzielczości i/lub wysokie klatkaże)

• solidne złącza przemysłowe Coax do rozwiązań przemysłowych

• Szeroki wybór kamer

GigE

Gigabit Ethernet lub „GigE” to najczęściej używany interfejs kamery w wizji maszynowej. Interfejs ten jest zdefiniowany przez standard wizyjny GigE z 2006 roku. Obecna iteracja GigE jest w stanie obsługiwać przepustowość danych (do 120 MB / s) na odległości do 100 metrów. Aplikacje GigE są łatwe w konfiguracji, zwłaszcza w przypadku kamer z PoE (Power over Ethernet), co pozwala na przesyłanie danych i zasilanie kamery za pomocą jednego kabla. Gigabit Ethernet ze standardową wtyczką RJ-45 jest często preferowanym wyborem dla integratorów. Karty rozszerzeń dla GigE umożliwiają dodanie 2 lub 4 kamer do konfiguracji i są wyposażone w funkcje takie jak PoE (Power-over-Ethernet).

USB 3 (USB 3.1 pierwszej generacji)

W ciągu ostatnich kilku lat USB stał się jednym z najczęściej używanych standardów w Machine Vision. Łatwa konfiguracja, znajomy format wtyczki i ogólna świetna wydajność sprawiają, że jest to uniwersalny wybór dla różnych aplikacji MV. Od momentu premiery USB przeszło kilka znaczących ulepszeń, z których głównym było wprowadzenie USB 3.0 – pasmo transferu na poziomie 350MB/s oraz zwiększona odporność sprawiły, że USB 3.0 jest jeszcze bardziej pożądanym wyborem w zastosowaniach widzenia maszynowego. Drugim ważnym wydarzeniem w USB 3.0 było oficjalne wydanie standardu USB3 Vision. Chociaż kamery USB nie wymagają oddzielnego frame grabbera ze względu na powszechną obecność tego złącza w dzisiejszych komputerach, to czasami zachodzi potrzeba aby skonfigurować system z wieloma kamerami. Właśnie wtedy może być wymagana dodatkowa karta rozszerzeń USB. Dostępne są warianty kart hosta USB z 2, 3 lub 4 niezależnymi portami.

Zalety

• przepustowość do 350 MB/s

• wsteczna kompatybilność z wcześniejszymi standardami USB

• stabilność i sprzętowa obsługa błędów

PCIe

Ponieważ frame grabber łączy kamerę i komputer, ważne jest, aby upewnić się, że dane mogą być skutecznie przesyłane do komputera. Obecny standard PCIe 2.0 (Peripheral Component Interconnect Express) zapewnia bardzo wysoką wydajność i niezawodność, ale host musi być zgodny z PCIe 2.0, aby zapewnić solidny i wydajny przepływ danych.

Wstępne przetwarzanie

Aby zmniejszyć obciążenie obliczeniowe po stronie procesora, frame grabbery mogą wstępnie przetwarzać przychodzące dane obrazu. Nowoczesne funkcje przetwarzania wstępnego w kartach interfejsów bezpiecznie przesyłają pozyskane dane bez utraty jakości. Funkcje takie jak kompresja lub automatyczny wybór obszarów obrazu (obszar zainteresowania, ROI) mogą znacząco zmniejszyć obciążenie procesora CPU hosta, co szczególnie w przypadku dużych transferów danych obrazowych jest sprawą krytyczną dla poprawnego działania systemu.

FPGA

Field Programmable Gate Array, jak sama nazwa wskazuje, umożliwia zaprogramowanie karty zgodnie z potrzebami obecnego systemu. Wydajna technologia FPGA jest idealnym rozwiązaniem szczególnie w najbardziej wymagających zastosowaniach.

Niektóre z dostępnych możliwości preprocessingu:

• Wysokiej jakości debayeryzacja

• Tabele Look-up (LUT)

• Mirroring, flipping, obracanie obrazu

• Kompensacja bad pikseli

• Balans bieli

• Korekcja winietowania

• Korekta

• Usuń niewyraźne obszary

• Redukcja szumu w obrazie za pomocą różnych metod filtracji (uśrednianie, Gauss, maski splotowe)

• Przetwarzanie szerokiego zakresu dynamiki (HDR), aby skompensować obszary obrazu, które są zbyt jasne lub zbyt ciemne

• Korekcja geometryczna dystorsji, rektyfikacja obrazu, przekształcenia afiniczne

• Przetwarzanie histogramu, poprawa kontrastu, operacje na cieniach i rozjaśnieniach (shadows/highlights)

• Konwersja przestrzeni kolorów

• Filtrowanie

Basler Visual Applets

Visual Applets jest idealnym środowiskiem rozwoju IDE do zastosowań w czasie rzeczywistym, przeznaczonym do procesorów FPGA przez oddział firmy Basler w Mannheim, Niemcy (dawniej Silicon Software). Oprogramowanie VA pomaga zaprogramować FPGA w łatwym interfejsie graficznym bez konieczności używania niskopoziomowego języka VHDL i, oprócz wykorzystania wbudowanej biblioteki funkcji, umożliwia tworzenie własnych customowych bibliotek funkcyjnych tak, aby dostosować swój system do wymagań.