Wie erreicht man eine höhere Bildrate?

Bildrate bezeichnet die Anzahl der Bilder (oder Aufnahmen), die eine Kamera pro Sekunde aufnimmt, üblicherweise gemessen in FPS (Frames per Second). Zum Beispiel nimmt eine Kamera mit 60 fps 60 einzelne Bilder pro Sekunde auf.

2. Datendurchsatz

2.a. Schnittstellentyp

Die Datenschnittstelle, wie USB 3.0, GigE oder CoaXPress, beeinflusst direkt, wie viel Bilddaten pro Sekunde übertragen werden können. Für hochauflösende Sensoren sind Schnittstellen mit höherer Bandbreite erforderlich, um eine hohe Bildrate aufrechtzuerhalten.

2.b. Paketgröße

Bei GigE Vision beeinflusst die GVSP-Paketgröße die Effizienz der Datenübertragung. Größere Pakete, bekannt als Jumbo Frames, reduzieren den Protokoll-Overhead, indem mehr Daten pro Paket gesendet werden. Dies verbessert den Durchsatz, insbesondere bei hochauflösender imaging, da die Anzahl der Pakete pro Bild verringert und eine schnellere, effizientere Datenübertragung ermöglicht wird.

2.c. Kabellänge

Die Länge eines Industriekabels kann die Bildrate bei Industriekameras beeinflussen, da es bei längeren Distanzen zu Signalverlusten kommen kann. Mit zunehmender Kabellänge kann die Datenintegrität leiden, was zu verringerter Bandbreite oder niedrigerer Bildrate führt. Um die Leistung zu erhalten, sind hochwertige Kabel und Steckverbinder unerlässlich.

2.d. Externe Komponenten

Externe Komponenten wie Frame Grabber, Switches und Netzwerkgeräte können die Bildrate direkt beeinflussen. Wenn diese Geräte die erforderliche Bandbreite nicht verarbeiten können oder nicht optimal auf die Schnittstelle der Kamera abgestimmt sind, kann es zu Datenengpässen, Bildverlusten oder geringeren Aufnahmeraten kommen. Es ist entscheidend, dass alle externen Hardwarekomponenten von hoher Qualität sind und korrekt spezifiziert werden, um die volle Bildrate zu gewährleisten.

2.e. Mehrere Kameras

Beim Einsatz mehrerer Kameras ist es wichtig, die insgesamt verfügbare Bandbreite zu berücksichtigen. Jede Kamera benötigt eine bestimmte Bandbreite, um ihre Daten zu übertragen. Wenn mehrere Kameras mit hoher Auflösung oder Bildrate streamen, kann die kombinierte Datenlast die Kapazität der Verbindung oder des Netzwerks überschreiten. Dies kann zu Bildverlusten oder verringerter Leistung führen, da das System Schwierigkeiten hat, den gesamten Datendurchsatz zu bewältigen. Es ist entscheidend, dass Schnittstelle und Netzwerk den kombinierten Anforderungen gewachsen sind, um eine optimale Bildrate und Synchronisationsleistung über alle Geräte hinweg sicherzustellen.

2.f. Synchronisation und Triggerung

Getriggerte Aufnahmemodi, bei denen die Bilderfassung an externe Ereignisse wie das Signal eines Sensors oder ein festgelegtes Zeitintervall gekoppelt ist, können die Bildrate aufgrund der erforderlichen präzisen Synchronisation begrenzen. Dies gilt insbesondere, wenn mehrere Geräte beteiligt sind, da die Koordination der Aufnahmezeiten die Bildrate aller Geräte beeinflussen kann. Das Timing und die Frequenz der Trigger, ebenso wie geteilte Bandbreite oder enge Synchronisationsanforderungen, können die Gesamtleistung und den Durchsatz des Systems verringern, wenn hohe Aufnahmegeschwindigkeiten benötigt werden.

4. Bildaufnahme-Konfigurationen

4.a. Region of Interest (ROI)

Die Begrenzung der Kamera auf ein bestimmtes ROI (Region of Interest) reduziert die Anzahl der pro Bild ausgelesenen Pixel, verringert die Datenlast und ermöglicht höhere Bildraten. Dies ist eine gängige Methode, um die Geschwindigkeit zu optimieren, ohne auf wichtige visuelle Informationen im imaging-Bereich zu verzichten.

4.b. Belichtungszeit

Längere Belichtungszeiten verringern die Bildrate, da der Sensor über einen längeren Zeitraum Licht aufnimmt, bevor das nächste Bild gestartet werden kann. Kürzere Belichtungen werden typischerweise verwendet, wenn hohe Bildraten benötigt werden. Allerdings erfordern kurze Belichtungszeiten oft eine intensive Beleuchtung, um die Bildqualität aufrechtzuerhalten, insbesondere bei schnellen Bewegungen oder in lichtarmen Umgebungen.

4.c. Binning und Decimation

Binning und Decimation sind zwei Techniken zur Reduzierung der Bildauflösung und des Datenvolumens, wodurch die Bildrate erhöht werden kann. Beim Binning werden benachbarte Pixel zu einem "Superpixel" zusammengefasst, was die Auflösung verringert, aber die zu lesende und zu übertragende Datenmenge deutlich reduziert. Bei der Decimation hingegen werden Pixel beim Auslesen übersprungen, wodurch die Bildgröße ebenfalls reduziert und die Datenübertragung beschleunigt wird. Beide Methoden tauschen Bilddetails gegen Performance ein und sind ideal für Applikationen, bei denen Geschwindigkeit wichtiger ist als eine hohe Auflösung.

4.d. Pixelformat

Kameras können Bilddaten in verschiedenen Pixelformaten ausgeben, wie z. B. 8-Bit, 10-Bit oder höher. Während höhere Bittiefen den Dynamikumfang und die Farbtiefe verbessern, erhöhen sie auch die Datenmenge pro Bild, was die erreichbare Bildrate verringern kann, sofern nicht ausreichend Bandbreite oder Rechenleistung zur Verfügung steht.

4.e. Bildverarbeitung

Integrierte Bildverarbeitungsaufgaben wie Weißabgleich, Gammakorrektur, Rauschunterdrückung usw. können die Bildrate verringern, da die internen Ressourcen der Kamera zwischen Bilderfassung und -verarbeitung aufgeteilt werden. Zusätzlich können automatische Funktionen wie Auto-Exposure, Auto-Weißabgleich und Auto-Gain aufgrund der Echtzeitanpassungen zwischen den Bildern zu Latenzen führen. Eine sorgfältige Konfiguration dieser Einstellungen ist entscheidend, um eine unbeabsichtigte Einschränkung der Kamera-Performance zu vermeiden.

Hier sind mehrere Strategien und Überlegungen, die Ihnen helfen, die Bildrate Ihres industriellen Kamera-Setups zu optimieren und Probleme zu beheben.

• Kabel- & Kamera-Zustand prüfen: Beginnen Sie mit den Grundlagen und stellen Sie sicher, dass die physischen Komponenten nicht beschädigt sind.
• Test mit Galaxy Viewer: Überprüfen Sie, ob das Problem an den Kamera-Einstellungen oder am Code liegt. Der Galaxy Viewer hilft dabei zu diagnostizieren, ob die Kamera korrekt arbeitet.
• Verwenden Sie einen Bildraten-Rechner: Verwenden Sie einen Bildraten-Rechner, um die maximal mögliche Bildrate basierend auf den Einstellungen Ihrer Kamera (Auflösung, Belichtungszeit usw.) zu berechnen und zu beurteilen, ob Anpassungen erforderlich sind.
• Ausreichende Bandbreite sicherstellen: Überprüfen Sie, ob genügend Bandbreite für die Datenübertragung der Kamera zur Verfügung steht. A. Mehrere Kameras überwachen: Testen Sie die Kameraleistung einzeln, um Netzwerküberlastungen auszuschließen. B. Netzwerküberlastung prüfen: Stellen Sie sicher, dass Netzwerkgeräte (wie Switches und Router) die verfügbare Bandbreite nicht begrenzen. Versuchen Sie, die Kamera direkt an den PC anzuschließen, um Netzwerküberlastungen auszuschließen.
• ROI reduzieren: Die Begrenzung des Bildausschnitts (Region of Interest) verringert die Datenmenge und hilft, die Bildrate zu verbessern.
• Binning/Decimation verwenden: Durch die Reduzierung der Bildauflösung mit diesen Methoden wird die Datenübertragung beschleunigt und die Bildrate erhöht.
• Belichtungszeit verringern: Kürzere Belichtungszeiten können die Bildrate erhöhen, erfordern jedoch möglicherweise mehr Beleuchtung für eine klare Darstellung.
• Pixelformat ändern: Die Reduzierung der Bittiefe (z. B. 8-Bit statt 10-Bit) verringert die Datenmenge pro Bild und ermöglicht schnellere Bildraten.
• Paketgröße erhöhen: Größere Pakete reduzieren den Overhead und steigern die Effizienz der Datenübertragung.
• DeviceLinkThroughputLimitMode deaktivieren (USB 3.0)
  Diese Einstellung ist möglicherweise standardmäßig aktiviert und kann den Datendurchsatz Ihrer Kamera begrenzen.
• Jumbo Frames aktivieren (GigE)
  Stellen Sie sicher, dass Jumbo Frames aktiviert sind, um eine effizientere Datenübertragung zu ermöglichen.
• Ausreichende Systemressourcen sicherstellen: Stellen Sie sicher, dass CPU, RAM und andere Systemressourcen für die Echtzeit-Datenverarbeitung ausreichend sind.
• Bildeinstellungen optimieren: Deaktivieren Sie unnötige Bildverarbeitungsfunktionen (wie Auto-Belichtung oder Rauschunterdrückung), die die Bildrate verlangsamen könnten.
• Netzwerkinfrastruktur aufrüsten: Erwägen Sie die Aufrüstung von Switches oder Netzwerkgeräten, um höhere Datenraten zu unterstützen und Netzwerkengpässe zu reduzieren.