Fachbeiträge

Industriekamera neu definiert

Der Funktionsumfang von Industriekameras wird seitens der Hersteller stetig erweitert. Diese neuen Funktionen lassen sich von Anwendern zwar selbst einspielen – der Anwender hat aber keinen Einfluss darauf, welche Features der Hersteller bereitstellt. IDS bietet eine Lösung: Vision App-basierte Industriekameras der IDS NXT Serie können um selbst programmierte Apps erweitert werden und stellen diese Standard-konform als Features zur Verfügung.

Neben den fest integrierten herstellerseitigen Features ermöglicht das IDS NXT Konzept auch zur Laufzeit nachgeladene Verarbeitungsprozesse des Anwenders GenICam-konform über die Kamerabeschreibungsdatei bereitzustellen.
Neben den fest integrierten herstellerseitigen Features
ermöglicht das IDS NXT Konzept auch zur Laufzeit nach-
geladene Verarbeitungsprozesse des Anwenders
GenICam-konform über die Kamerabeschreibungsdatei
bereitzustellen.

Industriekameras werden bisher über herstellerseitig bereit gestellte Update-Pakete mit neuen Features und Bugfixes versorgt. Anwender können so den Funktionsumfang ihrer bereits im Feld befindlichen Kameras erweitern und erhalten so mehr Möglichkeiten für ihre Bildverarbeitungs-Applikationen. Um die jeweils aktuellen Kamerafunktionen abzufragen, wird ein sogenanntes „dynamisches“ UI (User Interface) benötigt. Das UI „GenAPI“ (Generic Applikation Programming Interface) ermöglicht diese Feature-Abfrage einer GenICam-konformen Industriekamera.

Neben der Standard-Feature-Liste (definiert durch die „Standard Feature Naming Convention“) erlaubt GenICam zusätzlich benutzerdefinierte Funktionen innerhalb der Feature Node-Map (gewissermaßen die Kamera-API) der Kamera zu integrieren. Kamerahersteller nutzen diese Möglichkeit, um z.B. spezielle Custom-Features anzubieten, die (noch) nicht im Standard vorgesehen sind. Anwender sind aber vom jeweiligen Hersteller abhängig, wann ihre Kameras ein Update bekommen und welche Features es schlussendlich umfasst.

Neue intelligente Kameraklasse

Doch im Machine Vision Markt steigt die Zahl programmierbarer Kameras, die dem Anwender ermöglichen, selbst erstellte Funktionalität direkt in der Kamera auszuführen, die bisher auf PCs oder Embedded Boards ihre Arbeit verrichtet haben. Diese kameraseitige Verarbeitung reicht von Bilddatenvorverarbeitung und Filterung, über klassische Bildverarbeitung bis zur Nutzung von neuronalen Netzen mittels Deep Learning. Intelligente Kameras bieten dem Anwender damit völlig neue Möglichkeiten der Bildauswertung direkt „on-camera“. Anders als Standard Vision Kameras verfügen sie aber nur selten über ein High-Speed Dateninterface wie z.B. GigE Vision und sind  daher ihren Vision-Kollegen hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeit deutlich unterlegen. Interaktionen mit ihren werkseitig nicht vorprogrammierten Funktionalitäten müssen dem Anwender oder der Anwender-Software dennoch über eine API zur Verfügung stehen. Hier kommen bislang noch überwiegend herstellereigene proprietäre Benutzer-Schnittstellen zum Einsatz. Durch ihre eigenständige Arbeitsweise besitzen sie außerdem häufig direkte Anbindungen an wichtige Industrieprotokolle wie Profinet, EtherNet/IP oder OPC-UA. Das heißt, trotz der neu eröffneten Möglichkeiten ersetzen diese neuen intelligenten Kameras damit keine Standard Vision Industriekameras. Der Anwender muss sich letztendlich immer noch entscheiden, welche Kameras er für seine Anwendung einsetzen möchte bzw. ob er sogar die Eigenschaften beider Kameraklassen benötigt.

IDS NXT Industriekameras mit „Smart GenICam“ vereinen die Eigenschaften von Industriekameras und programmierbaren Kameras.
IDS NXT Industriekameras mit „Smart GenICam“ vereinen die Eigenschaften von Industriekameras und programmierbaren Kameras.

Aus Zwei mach Eins

Mit den neuen IDS NXT Industriekameras wird den Anwendern diese Entscheidung abgenommen. Der Kamerahersteller erweitert dazu die hauseigenen Standard Vision Industriekameras um das Vision App-basierte IDS NXT-Konzept. Das Ergebnis sind Kameras, die neben ihren IDS-seitigen Firmware-Features von Anwendern programmierte Bildverarbeitungs-Apps zur Laufzeit laden und ausführen können. Diese Feature-Erweiterung der Kameras wird durch das IDS NXT-Konzept mittels einer IDS-eigenen "Smart GenICam"-App ermöglicht. Der Clou dieser Paarung ist, dass sowohl Konfiguration, Steuerung und Ergebnisse der Vision App über die XML-Beschreibungsdatei der Kamera in jeder GenICam-konformen Drittanwendung, wie z.B. HALCON, nutzbar sind. Die Geräte bleiben trotzdem vollwertige Standard-konforme Industriekameras, die mit voller Gigabit Ethernet Geschwindigkeit Bilddaten an einen Host-PC übertragen können.

Anwendungs-Skalierung

IDS NXT in Verbindung mit der Smart GenICam App ermöglichen damit die Skalierung einer GenICam-konformen Machine Vision Anwendung zwischen Kamera und PC. Das bedeutet, dass Anwender je nach benötigter Performance entscheiden können, ob ihre Anwendung klassisch auf einer PC-Workstation, vollständig eigenständig auf der Kamera oder auch kooperierend aufgeteilt auf beiden Geräten ausgeführt wird.

Mit IDS NXT Industriekameras können Anwender-Prozesse auch in der Kamera ausgeführt. Das ermöglicht eine Verschiebung von Anwendungsteilen vom Host PC (1) teilweise (2) bzw. vollständig (3) in die Kamera.
Mit IDS NXT Industriekameras können Anwender-Prozesse auch in der Kamera ausgeführt. Das ermöglicht eine Verschiebung von Anwendungsteilen vom Host PC (1) teilweise (2) bzw. vollständig (3) in die Kamera.

Es kann aus verschiedenen Gründe sinnvoll sein, eine Bildvorverarbeitung bzw. eine Datenvorauswahl bereits auf der Kamera (on the Edge) durchzuführen, anstatt kontinuierlich große Datenmengen einem PC zur Verfügung zu stellen – etwa geringere Netzwerklast, Hardware-beschleunigte Verarbeitung, weniger Energieverbrauch, geringere Systemkosten, um nur einige zu nennen.

Durch die Nutzung generischer Transport Layer (GenTL) – sowohl extern im Umgang mit der Kamera als auch innerhalb der Kamerafirmware beim Zugriff auf den Sensor – macht es für die Anwendungsebene keinen Unterschied woher die Bilddaten stammen. Die Datenschnittstelle muss bei einer Verlagerung der Anwendung in die Kamera nicht geändert werden. Das vereinfacht die Entwicklung und Validierung eines Smart GenICam Features. Der Anwendungscode muss weder verändert noch für die Ausführung in der Kamera neu geschrieben werden, das heißt die Entwicklung der gesamten Bildverarbeitungsanwendung erfolgt zuerst klassisch mit der Kamera als reinem Bildlieferant und einer Anwendung, die vollständig auf einem Host-PC ausgeführt wird. Da die Kamera für die nachfolgenden Schritte nicht gewechselt werden muss, vereinfacht das die weitere Anwendungsentwicklung und spart nebenbei noch Zeit und Kosten. Der Entwickler entscheidet nun, welche Teile er idealerweise direkt auf der Kamera ausführen möchte und lädt diese als Vision App verpackt auf ein IDS NXT Kameramodell. Deren Firmware integriert den Anwendungscode in den Funktionsumfang der Kamera. Steuer- und Funktionsparameter sowie Ergebnisse des dynamischen Anwendungsteils werden durch die Smart GenICam App Vision-konform über die gerätespezifische XML-Beschreibungsdatei zur Verfügung gestellt. Damit hat der Anwendungsentwickler volle Kontrolle über die neue Kamerafunktionalität.

Vorteile der Anwendungs-Skalierung

IDS NXT verschiebt Bildverarbeitung weg vom PC näher an die Bildquelle. Statt komplette Bilddaten hochauflösender Sensoren nur zu übertragen, können Erkenntnisse und Ergebnisse direkt auf der Kamera erzielt werden. Das reduziert die Transfer-Bandbreite, um notwendige Daten an Folgesystem zu übertragen und ermöglicht die unmittelbare Triggerung von Folgeprozessen direkt durch die Kamera. So können bestimmte Anwendungen neben der teilweisen Skalierung auch vollständig von der Kamera erledigt werden, wenn eine Weiterverarbeitung auf einem PC nicht benötigt wird. Das spart Platz und Kosten für optionale PC-Infrastruktur. Je mehr eine Anwendung auf die Kamera verlagert wird, desto energieeffizienter arbeitet das Gesamtsystem, da der Energieverbrauch der Kameraplattform weitaus geringer ausfällt als der einer PC-Workstation. Die vollständige Anwendungsskalierung auf eine IDS NXT Plattform zeigte IDS auf der diesjährigen Vision 2018 anhand einfacher Bildverarbeitungsbeispiele wie Farb- und Formsortieranlagen auf dem Profinet-fähigen IDS NXT vegas.

Zusammenfassung

Durch das Vision App-basierte IDS NXT Konzept werden Bildaufnahme und Bildverarbeitung „on the edge“ Industrie- und Vision-konform in Industriekameras verfügbar. Geräte dieser neuen Kamerafamilie arbeiten nicht mehr nur als reine Bildlieferanten, sondern sind zudem in der Lage komplett eigenständig zu arbeiten bzw. einen angeschlossenen PC bereits durch individuelle Vorverarbeitung zu unterstützen. Selbst komplexe Inferenz-Aufgaben mit vortrainierten neuronalen Netzen sind möglich. Durch die Smart GenICam Vision App können die Verarbeitungsaufgaben einer Kundenanwendung zudem sehr einfach über die Kamera jeder GenICam-konformen Anwendung zur Verfügung gestellt werden.