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Burst Mode steigert Geschwindigkeit bei Industriekameras

Der Burst Mode ermöglicht Anwendern deutlich höhere Aufnahmefrequenzen als es die Kameraschnittstelle eigentlich zulässt. Zudem führt die Entkopplung von Aufnahmefrequenz und Prüffrequenz zu deutlich fehlertoleranten Gesamtsystemen, da sich ändernde Parameter wie Prüffrequenz oder Netzwerkauslastung durch die Burst Mode Funktionalität der Kamera abgefedert werden

Geschwindigkeit als Kriterium bei der Kamerawahl

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 Geschwindigkeit des Sensors und Geschwindigkeit der Kamera verwechselt. Zum Glück bietet der Burst Mode die Möglichkeit, Kameras mit langsamem Interface kurzfristig sehr viel schneller zu betreiben

Der Burst Mode im Detail

Geschwindigkeiten bei Industriekameras

Geschwindigkeit des Sensors

Die Geschwindigkeit des Kamerasensors findet sich im Datenblatt des Sensorherstellers. Sie bezeichnet die maximale Übertragungsrate mit der die Bilddaten aus dem Sensor bei optimaler Anbindung an die Kamera gelesen werden können.

Geschwindigkeit der 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.

Geschwindigkeit der Kamera extern (Interface)

Diese Schnittstellen von Industriekameras nach außen wie USB[3], CameraLink , GigE oder CoaXPress haben deutlich 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 also z.B. das Interface langsamer als der Sensor übertragen, so wird die Kamera nur die maximale Datenrate des Interfaces, nicht aber die maximale Datenrate des Sensors liefern. Dies bedeutet, langfristig kann eine Industriekamera nur mit der maximalen Datenrate des Interfaces ausgelöst (getriggert) werden.

Burst Mode als "Turbo"

Die Betonung liegt hierbei auf langfristig (im Bereich von Sekunden). Eine Kamera mit genügend eingebautem internem Speicher kann bei geeigneter Auslegung Bilder im internen Speicher zwischenspeichern (mit der maximalen internen Geschwindigkeit der Kamera). 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 (je nach Implementierung) Bilder weggeworfen oder das Triggern des Sensors wird für die Zeit ohne ausreichend Speicherplatz unterbunden.

Burst Mode benötigt Treiber Unterstützung

Voraussetzung hierzu ist auf dem Host Computer als Software ein Treiber der diese gepufferte Betriebsart unterstützt. Natürlich unterstützt das SVS-Vistek SDK den Burst Mode.

Nutzen für den Anwender

  • Der Anwender hat durch den Burst Mode die Möglichkeit, eine langsamere Kamera zu wählen als es die kurzfristige Bildfolge erfordert
  • Bei Änderung / Störungen in der Datenverarbeitung oder dem Datentransport (hohe extern induzierte Netzwerkauslastung, hohe Verarbeitungszeit des Programms bei einzelnen Bildern) wird das Verhalten bei Triggerung nicht beeinträchtigt
  • Kameras mit langsamen Interfaces wie GigE sind oft günstiger, flexibler in der Infrastruktur und bieten Unabhängigkeit von verwendeter Hardware als High-Speed Schnittstellen

Praxisbeispiel mit exo174MGE für den Einsatz des Burst Mode

Bildverarbeitung am Förderband

Standardfall in der Industrie ist z.B. 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 wird das Prüfteil weitertransportiert. In dieser Zeit können Daten weiterhin ausgelesen werden.

Interne Geschwindigkeit

In diesem Beispiel verwenden wir eine SVS-Vistek exo174MGE Kamera. Ihr Sony IMX174LLJ Sensor (2.35MP) liefert ca 164 fps (frames per second, 8bit) gemäß Datenblatt. Die Kamera mit 256MB internem Speicher liefert 46 fps über die GigE Schnittstelle. Ihren internen Speicher beschreibt sie mit ca 300MB/s, arbeitet also mit einer internen Geschwindigkeit von 300MB/2.35MB = 125fps.

Geschwindigkeit des Interfaces

Im Dauerbetrieb kann die exo174MGE nur 46 fps ausliefern, da sie mit 46fps und 8bit eine Ethernet Gbit Leitung vollständig auslastet. Die Kamera besitzt jedoch mit 256MB Speicher genug internen Speicher für bis ca 100 frames, die mit der internen Geschwindigkeit der Kamera (125fps) befüllt werden können.

Burst Mode als Turbo

Soll die Kamera alle 9ms ein Bild aufnehmen (ca 110fps), so kann die maximale Länge der Burst-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)

In unserem Beispiel ergeben sich somit  t = 100/(110-46) ≈ 1.5s als Zeit, die eine exo174MGE im Burst Modus bei voller Auflösung laufen kann, während sie gleichzeitig Bilder an die Applikation liefert. Das sind mit 110fps * 1.5s = 165 Bilder. Die Auslieferung wird dann t = 165/46 ≈ 3.6s dauern.

Fazit

Der Burst Mode ermöglicht Anwendern deutlich höhere Aufnahmefrequenzen als es das Interface eigentlich 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 (wie im Beispiel) zu deutlich fehlertoleranten Gesamtsystemen, da sich ändernde Parameter wie Prüffrequenz oder Netzwerkauslastung durch die Burst Mode Funktionalität der Kamera abgefedert werden.

Burst Mode bei SVS-Vistek Standard

Kameras mit dieser Architektur und ausreichend Speicher zu bauen ist aufwändig. Im Gegensatz zu vielen billigeren Industriekameras verfügen die Kameras der SVCam Linie von SVS-Vistek alle über die Burst Mode Funktionalität. Der Anwender profitiert von der gesteigerten Fehlertoleranz und maximaler Flexibilität in seiner Machine Vision Anwendung.