Kees Zagers is werkzaam bij het Nuenense Si-Kwadraat (www.si-kwadraat.nl), dat machinebesturingen ontwikkelt voor beeldverwerking, diagnostiek en industriële netwerken.

2 December 2005

Digitale camera‘s raken steeds meer in zwang. De laatste jaren zijn ook de verbindingen met sprongen vooruit gegaan. Snelheden liggen een factor vijftig hoger dan vijf jaar geleden en het eind is nog niet in zicht. Kees Zagers van Si-Kwadraat over de ontwikkelingen en trends, en de IEEE 1394-oplossing van Interay die speciaal geschikt is voor automotive-toepassingen.

Al twintig jaar zijn er camera‘s met digitale uitgangen op de markt. Tot zo‘n vijf jaar geleden ging het echter om kleine aantallen. Dat kwam omdat de eerste verbindingen (RS232 en later 10 Mbit Ethernet) vrij langzaam waren. Veel camera‘s gebruikten lokale rekenkracht om de beelden direct te verwerken. Alleen het resultaat kwam naar buiten. Omdat de energieconsumptie niet te hoog mocht oplopen, waren alleen eenvoudige bewerkingen mogelijk. De afmetingen van dergelijke instrumenten waren ook aanzienlijk, omdat processor, geheugen en netwerkinterface volledig waren geïntegreerd.

Rond de millenniumwisseling kwamen er snellere verbindingen. Eerst 100 Mbit Ethernet, later de snellere versies van Firewire en USB. Ethernet is voor industriële toepassingen niet aantrekkelijk. Het blijkt in de praktijk moeilijk te synchroniseren, zeker als er nog andere deelnemers op het netwerk actief zijn. Bovendien is het lastig om de Ethernet-interface klein, goedkoop en met laag stroomverbruik te ontwikkelen.

USB is wel zeer goedkoop en op alle moderne systemen beschikbaar. Het is echter een pure punt-puntverbinding en daardoor beperkt in zijn toepassing. Bovendien veroorzaakt het een tamelijk hoge systeembelasting. Vandaar dat de meeste webcams gebruikmaken van lokale beeldcompressie in de camera. Voor een goede beeldverwerking in een industriële omgeving is dat uit den boze. Kleine objectbeschadigingen filtert de camera weg, terwijl we die juist met het visionsysteem willen ontdekken.

IEEE 1394, beter bekend onder de originele Apple-benaming Firewire of de Sony-naam i.Link, is recent opgewaardeerd en gaat nu tot een snelheid van 400 Mbyte/s. Een camera met medium resolutie heeft absoluut geen problemen om zonder compressie dertig beelden per seconde via Firewire over te dragen. Er blijft zelfs nog bandbreedte over om beelden van een tweede camera tussendoor te verzenden.

Doordat met IEEE 1394 de volledige digitale beeldinformatie een op een is te versturen naar het verwerkingssysteem, is de camera zeer compact en enenergiezuinig. Meerdere camera‘s passen eenvoudig in één machine. Met een IEEE 1394-hub kunnen we tot vijf camera‘s met één IEEE 1394-aansluiting aan een pc verbinden. De hub zorgt ervoor dat de beelden netjes gemultiplext over de bus gaan.

Met name voorwerpen die vragen om een gelijktijdige controle van verschillende kanten, zijn op zo‘n manier goed te beoordelen. Door een nauwkeurige triggering kunnen we met grote precisie de afmetingen van zo‘n object berekenen. Een camera met hoge resolutie kan de kleinste haarscheurtjes waarnemen. Verschillende metingen zijn zo parallel uit te voeren.

0512115293200
Met een IEEE 1394-hub passen er tot vijf camera’s op een IEEE 1394-aansluiting van een pc. De hub zorgt ervoor dat de beelden netjes gemultiplext over de bus gaan.

Proteus-pc

Er zijn inmiddels veel industriële camera‘s met IEEE 1394 beschikbaar. Van Nederlands fabrikaat is de Cameleon-familie van Interay uit het Friese Bergum. Zowel een low-cost 640×480-camera als een hoge resolutie OEM-uitvoering (1280×1024) zitten in het assortiment. Het grote voordeel is dat een en dezelfde softwarebibliotheek deze camera‘s – en in principe alle andere IEEE 1394-camera‘s – herkent. De software heeft dan alle mogelijkheden voor configuratie en instelling van de camera.

Interay levert naast de bibliotheek, die gebruikers met hun eigen toepassing kunnen linken, ook een volledig configuratieprogramma met allerlei visionbewerkingen. De filters zijn sequentieel instelbaar en regions of interest (ROI) dynamisch configureerbaar, zodat bewerkingen alleen op de interessante gebieden worden losgelaten. Op deze manier kunnen gebruikers zonder grote investeringen zelf uitzoeken of een visionproject haalbaar is of niet. Met dezelfde visionbibliotheek kunnen ze dan het uiteindelijke project realiseren in een willekeurige programmeertaal die deze vision-DLL kan lezen.

Interay levert desgewenst ook een bijpassende embedded pc (de Proteus) in een industriële behuizing die de volledige beeldverwerking voor zijn rekening kan nemen. De Proteus kan bijvoorbeeld uitwerpmechanismen aansturen met lokale I/O-signalen, waaronder een drietal I/O-lijnen die standaard op de powerconnector zijn uitgevoerd en een CAN-busaansluiting. De embedded pc beschikt ook over een Ethernet-poort. Resultaten kunnen bestaan uit beelden of kwaliteitsgegevens van de objecten. De ingebedde pc draait standaard op Windows XP Embedded met de eerder genoemde visionsoftware.

0512115312000
Camera Configurator van Interay toont een simpele muur waarbij de stenen met verschillende beeldbewerkingen in meerdere regions of interest (ROI’s) zijn afgebeeld. Er is binnen een ROI zowel een enkele bewerking uitgevoerd, als meerdere bewerkingen na elkaar.
0512115331400
Interay uit Bergum heeft zijn Proteus-pc gelanceerd met een IEEE 1394-aansluiting en twee CAN-bussen.

Voertuignetwerk

Si-Kwadraat heeft verschillende toepassingen voor de combinatie Proteus-pc, Cameleon-camera en bijbehorende I/O gerealiseerd. Ik zal hier een virtuele toepassing in de automotive-sector nader toelichten.

Terwijl belangrijke gebouwen en winkels al lang gewend zijn aan camera‘s met achterliggende videosystemen, is het openbaar vervoer altijd lastig te beveiligen geweest door de hoge kosten en de grootte van de kastjes. De Proteus-pc en de Cameleon-camera lossen deze problemen voor een groot gedeelte op. De producten zijn klein en door de standaard pc-structuur relatief goedkoop. Bovendien werken ze op de standaard accuspanning van 12 of 24 volt en ook nog eens met een laag stroomverbruik. De onderdelen gaan op in de achtergrond. Monitor, toetsenbord of muis zijn immers niet nodig.

Belangrijk voor de voertuigtoepassing is de aanwezigheid van de CAN-bus. De combinatie van deze veelgebruikte automotive-bus en een IEEE 1394-camera biedt interessante mogelijkheden. De CAN-bus kan bijvoorbeeld dienen als trigger. Bij het starten van het voertuig wordt een uniek CAN-bericht uitgecodeerd en daarbij komt het camerabeeld in het interne geheugen. Bij elke nieuwe rit hebben we nu een plaatje van de situatie in het voertuig. Hierbij lezen we alleen van het voertuignetwerk, wat altijd zonder problemen kan.

Een andere optie is om het beeld van de camera te gebruiken als trigger op de CAN-bus. Als de camera een gebeurtenis registreert, genereert de pc een bericht op de CAN-bus. De bestuurder kan een vooraf bepaalde beweging uitvoeren die de trigger veroorzaakt, waardoor bijvoorbeeld de alarmlichten aangaan, het voertuig volledig afslaat en niet meer opnieuw opstart of zelfs de airbag bij de duopassagier zichzelf spontaan opblaast.

Alle data in het pc-geheugen zijn later via de Ethernet-aansluiting uit te lezen. Het is ook mogelijk via een draadloos netwerk (Bluetooth of WLAN) extern met het systeem te communiceren. Deze interfaces sluiten aan op de USB-poort.

Kortom alle hardware voor bovengenoemde toepassingen is standaard aanwezig. De software moet natuurlijk wel per project worden geschreven.