Zweiter FPGA macht GigE-Kameras flexibel Sentech/Videor: GigE-Kameras mit frei zugänglichem FPGA

Mit einem zweiten, benutzerspezifischen FPGA ausgestattet sind die bei Videor erhältlichen Kameras der Serie »PowerPlus« von Sentech.
Mit einem zweiten, benutzerspezifischen FPGA ausgestattet sind die bei Videor erhältlichen Kameras der Serie »PowerPlus« von Sentech.

Als laut dem Distributor Videor erste GigE-Kameras sind die Geräte der Serie »PowerPlus« von Sentech mit einem zweiten, für den Anwender völlig frei zugänglichen FPGA ausgestattet, der mit beliebigen kunden- und anwendungsspezifischen Funktionen belegt werden kann.

»FPGAs haben bislang meist nur die Funktion des Interfacing, etwa zur Ansteuerung des CCD-Bildsensors, übernommen«, erläutert Markus Hold, Produkt-Manager Imaging bei Videor. »Nach und nach statten die Kamerahersteller aber ihre Geräte mit zusätzlichen Funktionen wie Rauschfilterung, Bayer-Farbumrechnung, Weißabgleich oder Gammakorrektur aus. Auch diese Funktionen sind meist in einem FPGA als feste, für den Anwender bestenfalls in den Parametern veränderbare Funktionsblöcke integriert.«

Der japanische Hersteller Sensor Technologies, kurz Sentech, geht jetzt einen Schritt weiter und bietet als laut Videor erster Hersteller eine Serie von GigE-Kameras mit einem zweiten, für den Anwender völlig frei zugänglichen FPGA-Baustein an, der mit beliebigen kunden- und anwendungsspezifischen Funktionen belegt werden kann. Bei dem Baustein handelt es sich um einen »Spartan-3« des Typs XC3SD1800A von Xilinx, dem für die Konfiguration ein ROM mit 8 MBit Speicherkapazität zur Seite steht. Der FPGA ist im Auslieferungszustand ungenutzt und steht dem Anwender in vollem Umfang zur Verfügung. Integriert ist auch ein 32-MByte-DDR2-Speicher, der beispielsweise zum Zwischenspeichern von Bilddaten dienen kann.

Die analogen Signale des CCD-Sensors werden im A/D-Wandler digitalisiert und zum »Sentech-FPGA« übertragen, der die von Sentech implementierten Bildverarbeitungs-Funktionen ausführt. Wenn der benutzerspezifische FPGA ungenutzt bleibt, durchlaufen die Daten der Reihe nach die Stufen für den Weißabgleich, für die Gammaverarbeitung und - bei Farbkameras - für die Einheit der Farbumrechnung. Von dort aus gelangt das so aufbereitete Bildsignal zur Gigabit-Ethernet-Schnittstelle nach draußen.

Der FPGA-Programmierer hat aber die Möglichkeit, die Bilddaten an verschiedenen Stellen für sein eigenes, weiteres Processing auszukoppeln. Er kann dabei nach dem A/D-Wandler oder nach einer der beiden Stufen, dem Weißabgleich oder der Gammaverarbeitung, direkt auf die Rohdaten zugreifen. So steht es ihm frei, zu entscheiden, ob er die bereits implementierten Funktionen nutzen will oder die Funktionen gemäß seinen Anforderungen selbst programmieren möchte. Das Wiedereinkoppeln der im benutzerspezifischen FPGA verarbeiteten Bilddaten kann an einer dieser drei Stellen in den »Sentech-FPGA« erfolgen. Das Debuggen des eigenen FPGA-Programmcodes geschieht über eine JTAG-Schnittstelle. Zweck des Verfahrens ist es, den FPGA auf korrekte Funktion zu testen, während er sich bereits in der Arbeitsumgebung befindet.

Die Funktionen, die sich in den benutzerspezifischen FPGA implementieren lassen, sind vielfältig. Neben reinen Einzelbildmanipulationen wie etwa Rauschunterdrückung, Farbraumkonvertierung oder Farb- und Bildmanipulationen, können auch Bildvergleiche und -analysen stattfinden. Die Ergebnisse dieser Analysen, also im einfachsten Falle eine Gut/Schlecht-Entscheidung, werden über insgesamt fünf optisch gekoppelte Ausgangsleitungen ausgegeben. Drei ebenfalls optisch gekoppelte Eingänge stehen unter anderem für externe Triggersignale zur Verfügung. »Weil ein FPGA im Gegensatz zu einem Mikroprozessor reine Hardware-Logik darstellt, erfolgt das Processing quasi in Echtzeit«, verdeutlicht Hold. »Die Kameras der 'PowerPlus’-Serie sind daher nicht mit Smart Cameras zu verwechseln, in denen ein Prozessor für die Bildverarbeitungsaufgaben eingesetzt wird.« Das Programmieren eines FPGA sei allerdings nicht trivial: »Es muss ein fundiertes Fachwissen vorliegen, um zu brauchbaren Ergebnissen zu kommen«, betont Hold. »Videor empfiehlt gerne externe Dienstleister, die nach Vorgabe individuelle Featuresets programmieren und damit wettbewerbsrelevante Alleinstellungsmerkmale schaffen.«

Die »PowerPlus«-Familie besteht aus zehn Mitgliedern: Erhältlich sind Versionen mit fünf verschiedenen Auflösungen, von VGA bis hin zu 5 MPixel, jeweils in Farbe oder in Monochrom. Weitere zehn Varianten mit den gleichen Spezifikationen gibt es von der Standard-Serie, bei der der benutzerspezifische FPGA entfällt. Alle Modelle verwenden hochwertige CCD-Sensoren. Beide Serien zeichnen sich durch robuste Verarbeitung und ein großflächiges und dennoch kompaktes Metallgehäuse aus, das günstige Wärmeleiteigenschaften besitzt. Entsprechend benötigen die Kameras im normalen Industrieumfeld keine Fremdkühlung.