Ein wichtiges Kriterium bei der Suche nach der passenden Industriekamera stellt neben der Auflösung des Sensors die Geschwindigkeit dar, mit der sie Bilder wiedergibt. Hier werden oft die Geschwindigkeit des Sensors und der Kamera verwechselt. Hier bietet der Burst Mode die Möglichkeit, Kameras mit langsamem Interface kurzfristig sehr viel schneller zu betreiben.
Doch wovon hängt die Geschwindigkeit der Kamera ab? Hierzu zählen der Sensor, die internen Busse und Speicher sowie die Kameraschnittstelle:
Sensor: Die Geschwindigkeit des Kamerasensors findet sich im Datenblatt des Sensorherstellers und bezeichnet die maximale Übertragungsrate, mit der die Bilddaten aus dem Sensor gelesen werden können.
Kamera intern: Umso mehr LVDS- oder Mipi-Lanes durch die Kameraelektronik an den Sensor angebunden sind, desto schneller erfolgt das Einlesen in den internen Speicher, da die Lanes die Daten parallel aus dem Sensor lesen. Die maximale interne Kamerageschwindigkeit resultiert aus dem Zusammenspiel von Sensorgeschwindigkeit und der Übertragungsrate des Schreibens auf den internen Speicher. Die Kamera führt dann Operationen am Bild im Speicher durch und legt die Daten auf die Schnittstelle nach außen.
Interface: Die Schnittstellen von Industriekameras nach außen wie USB, CameraLink , GigE oder CoaXPress haben unterschiedliche Übertragungsraten. Wenn die Geschwindigkeit einer Kamera für die machine vision Bildverarbeitung angegeben wird, dann wird gemessen, welche Datenrate die Kamera über einen längeren Zeitraum konstant liefert. Die Messung erfolgt notwendigerweise über das Interface der Kamera.
Jedes dem Sensor nachgeschaltete Modul kann die Geschwindigkeit der Kamera nur reduzieren. Sollte z.B. das Interface langsamer als der Sensor übertragen, so liefert die Kamera nur die maximale Datenrate des Interfaces, nicht aber die maximale Datenrate des Sensors. Dies bedeutet, langfristig kann eine Industriekamera nur mit der maximalen Datenrate des Interfaces ausgelöst werden.
Burst Mode als "Turbo"
Die Betonung liegt hierbei auf langfristig. Eine Kamera mit eingebautem internem Speicher kann bei geeigneter Auslegung Bilder im internen Speicher zwischenspeichern. Der Sensor kann also mit höherer Frequenz getriggert werden als es die spezifizierte Framerate der Kamera zulässt, sofern die interne Geschwindigkeit höher als die des Interfaces ist. Die schnell hintereinander folgenden Bilder werden intern gespeichert und dann (verzögert) über das langsamere Interface ausgeliefert. Diese Betriebsart wird Burst Mode genannt. Hierbei stellen die Größe des verfügbaren Speichers und die interne Geschwindigkeit der Kamera die limitierenden Elemente dar – sobald der Speicher voll ist, werden Bilder weggeworfen oder das Triggern des Sensors wird für die Zeit ohne ausreichend Speicherplatz unterbunden. Voraussetzung für die Nutzung des Burst Mode ist auf dem Host Computer als Software ein Treiber, der diese gepufferte Betriebsart unterstützt.
Nutzen für Anwender
Der Anwender hat durch den Burst Mode die Möglichkeit, eine langsamere Kamera zu wählen als es die kurzfristige Bildfolge erfordert. Bei der Änderung beziehungsweise einer Störung in der Datenverarbeitung oder dem Datentransport wird das Verhalten bei Triggerung nicht beeinträchtigt; dies ist bei einer hohen extern induzierten Netzwerkauslastung oder hohen Verarbeitungszeit des Programms bei einzelnen Bildern der Fall. Ein weiterer Nutzen des Burst Mode ist, dass Kameras mit langsamen Interfaces wie GigE oft günstiger und flexibler in der Infrastruktur sind. Damit ist man unabhängiger von speziellen High-Speed-Schnittstellen.
Praxisbeispiel
Ein Standardfall in der Industrie ist beispielsweise ein Förderband, auf dem Teile zur Inspektion an einer Kamera vorbei geführt werden. Kommt ein Prüfteil in den Erfassungsbereich der Kamera, sollen schnell hintereinander mehrere Aufnahmen mit wechselnder Beleuchtung gemacht werden. Danach erfolgt der Weitertransport des Prüfteils; in dieser Zeit können Daten weiterhin ausgelesen werden.
Ein Sony IMX174LLJ Sensor (2.35 MP) liefert eine Bildrate von zirka 164 fps bei 8 bit. Eine SVS-Vistek exo174MGE mit diesem Sensor und 256 MB internem Speicher liefert 46 fps über die GigE-Schnittstelle. Die Kamera beschreibt den internen Speicher mit zirka 300 MB/s, arbeitet also mit einer internen Geschwindigkeit von 300 MB / 2.35 MB = 125 fps. Im Dauerbetrieb kann die exo174MGE nur 46 fps ausliefern, da sie mit 46 fps bei 8 bit eine GigE-Leitung vollständig auslastet. Die Kamera besitzt jedoch mit 256 MB Speicher genug interne Kapazität für bis zu zirka 100 Frames, die mit der internen Geschwindigkeit der Kamera (125 fps) befüllt werden können. Soll die Kamera alle 9 ms ein Bild aufnehmen (zirka 110 fps), so kann die maximale Länge der Burst Mode-Aufnahmezeit überschlägig so berechnet werden (Memory=Verfügbarer Speicher in Frames, Vsoll = Sollgeschwindigkeit in fps, Vextern = die Geschwindigkeit der Schnittstelle in fps): t = Memory / (Vsoll - Vextern)
Im Beispiel ergeben sich somit t = 100 / (110-46) ≈ 1.5 s als Zeit, die eine SVS-Vistek exo174MGE im Burst Modus laufen kann, während sie gleichzeitig Bilder an die Applikation liefert. Das sind mit 110 fps * 1.5 s = 165 Bilder. Die Auslieferung dauert T = 165 / 46 ≈ 3.6 s.
Schneller, günstiger & sicherer
Der Burst Mode ermöglicht deutlich höhere Aufnahmefrequenzen, als es das Interface zulässt. Dies kommt gerade den Nutzern entgegen, welche die Flexibilität und Hardware-Unabhängigkeit des GigE Vision Interfaces mit kostengünstiger Infrastruktur und langen Kabellängen zu schätzen wissen. Zudem sorgt die Entkopplung von Aufnahmefrequenz und Prüffrequenz zu deutlich fehlertoleranten Gesamtsystemen, da sich ändernde Parameter wie Netzwerkauslastung durch den Burst Mode abfedern lassen.
Im Gegensatz zu vielen billigeren Industriekameras beherrschen alle Kameras der SVCam Serie von SVS-Vistek den Burst Mode. Damit erreichen Kunden die maximale Flexibilität und Sicherheit bei der Konfiguration ihrer Anwendung.
