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Digital statt analog

9. Oktober 2007, 11:08 Uhr | Horst Mattfeldt

Trotz der Vorteile digitaler Bildverarbeitungssysteme halten viele Anwender an ihrer analogen Lösung fest – nicht wegen der Übertragungstechnik als solcher, sondern vielmehr wegen der genutzten Interlaced-Sensoren. Neue Kameras mit Interlaced-Sensoren und integriertem digitalen Interface sollen den Umstieg erleichtern.

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Der Markt für industrielle Bildverarbeitung wird von wachsender Digitalisierung geprägt – doch verglichen mit dem Konsumentenmarkt tun sich industrielle Nutzer mit digitalen Interfaces weitaus schwerer: So arbeiten über 50 % aller in der industriellen Bildverarbeitung genutzten Systeme nach wie vor mit analoger Datenübertragungstechnik – beispielsweise in der einfachsten Form einer an einem Monitor angeschlossenen Kamera. Damit lassen Anwender die Vorteile digitaler Schnittstellen wie etwa des Firewire- Standards (IEEE 1394) für die industrielle Bildverarbeitung ungenutzt. Diese Interfaces erlauben eine schnellere, zuverlässigere Bilddatenübertragung ohne Qualitätsverlust zu einem computerbasierten System, das die Bilder direkt – ohne Framegrabber – bearbeiten oder archivieren kann. Darüber hinaus ermöglicht ein digitales Interface den Mehrkamerabetrieb sowie eine komfortable Parametrierung der verwendeten Kameras.

Warum also ist die Hemmschwelle vieler Anwender so hoch, von analog auf digital umzusteigen?

Zum einen ist es die Lebensdauer von Machine-Vision-Systemen, die dazu führt, dass die Migration zu einer neuen, digita len Technologie nicht so schnell erfolgen kann wie in der schnelllebigen Unterhaltungselektronik. Darüber hinaus scheuen viele Nutzer die Kosten einer Umrüstung, vor allem bei einfacheren, kostengünstigen analogen Systemen.

Entscheidender jedoch ist, dass fast jedes zweite Analogsystem mit Interlaced-Kameras arbeitet. Für Anwender solcher Systeme bedeutete der Wechsel zu einem digitalen Interface bisher eine doppelte technologische Migration: Kameras mit Interlaced-Sensor und digitaler Schnittstelle gab es nicht. Ergo mussten „Umstiegswillige“ nicht nur die Interface-, sondern auch die Sensortechnologie wechseln. Eine komplexe und kostspielige Angelegenheit, da sich dieser Wechsel an vielen Stellen des Systems auswirken kann – unter Umständen sind neue Objektive und eine neue Beleuchtung nötig, die Bildverarbeitung zur Auswertung des neuen Bildes muss angepasst werden, und auch die Mechanik bleibt nicht unangetastet, insofern als neue Halterungen und neue Abstände nötig werden.

Um diese Empfindlichkeit zu verstehen, sollen nachfolgend die beiden Betriebsarten vorgestellt werden, in der sich Interlaced-Sensoren ansteuern lassen.

Die Betriebsart Interlaced Field Integration fasst vertikal zwei Zeilen durch „Binning“ zusammen, so dass sich allein hierüber schon die doppelte Empfindlichkeit ergibt. Da sich zwei Pixel einen Speicher teilen müssen, wird der Aufwand für den Speicher pro Bildpunkt geringer. Im ersten und im zweiten Halbbild werden unterschiedliche Zeilen zusammengefasst (zum Beispiel zunächst 1&2, 3&4, 5&6, dann 2&3, 4&5, 6&7) – im Gegensatz zum Progressive- Scan-Sensor, der auch in der Lage ist, Binning zu nutzen, aber immer dieselben Pixel zusammenfasst (zum Beispiel Zeilen 1&2, 3&4, 5&6). Nach jedem Halbbild ist der Sensorspeicher komplett leer. In dieser Betriebsart sind externer Trigger sowie elektronischer Shutter also möglich.
In der Betriebsart Interlaced Frame Integration findet kein Binning statt: Im ersten Halbbild werden nur die ungeraden Zeilen, im zweiten Halbbild nur die geraden Zeilen ausgelesen. Während eine Zeile ausgelesen wird, kann die nächste bereits belichtet werden, so dass jedes Pixel zwei Halbbilder lang Zeit zur Belichtung hat. Anders ausgedrückt: Beide Halbbilder integrieren überlappend. In diesem Fall ist zwar kein externer Trigger oder elektronischer Shutter möglich, doch mit einem Blitz während der Überlappungszeit lässt sich ein Bild in voller Auflösung erreichen.

Ein weiterer Vorteil, den Interlaced-Sensoren bieten, ist eine höhere Empfindlichkeit im sichtbaren und nahen Infrarotbereich (NIR). So zählen beispielsweise die von Sony entwickelten Interlaced-Sensoren in ExviewHAD-Technologie für den sichtbaren und den NIR-Bereich zu den empfindlichsten erhältlichen CCD-Sensoren für Konsumentenprodukte. Diese Sensoren werden häufig in Analogkameras industrieller Bildverarbeitungssysteme eingebaut. Ihre Empfindlichkeit lässt sich weiter steigern, indem auf jeden Sensorpixel eine oder sogar zwei Mikrolinsen gesetzt werden, so dass mehr Licht auf die lichtempfindliche Zone der Pixelfläche gelangt. Mit dieser Technologie können bis zu 300 % höhere Empfindlichkeiten gegenüber progressiver Schwarzweiß-Sensorik erzielt werden.

Die spezifischen Eigenschaften von Interlaced-Sensoren kommen auch bei Farbaufnahmen positiv zum Tragen: Typischerweise enthält ein farbfähiger Interlaced-Sensor eine Bayer-Filtermatrix mit den Farben CyYeGrMg (Cyan, Gelb, Grün, Magenta) anstelle der bei Sensoren mit progressiver Abtastung üblichen Farben BGGR (Blau, Grün, Grün, Rot). Herkömmliche CCD-Sensoren zeigen die geringste Empfindlichkeit an beiden Enden des sichtbaren Spektralbereichs. Die CyYeGrMg-Farben liegen eher in der Mitte dieses Bereichs, wo die Empfindlichkeit größer ist. So müssen zwar die Algorithmen zum Interpolieren zwischen den Farbpixeln und die Algorithmen zum Durchführen des Weißabgleichs angepasst werden, doch der Nutzeffekt in Form einer höheren Empfindlichkeit ist unübersehbar. Mit diesen Sensoren ist zudem das Binning bei Farbe möglich.

Insgesamt lassen sich bei Farbsensoren mit CyYeGrMg-Filtermatrix verglichen mit Progressive-Scan-Farbsensoren bis zu 500 % höhere Empfindlichkeiten erzielen.