Mithilfe von IEEE1588 wird die Kamera zum Master

Hauptautor: Sony Image Sensing Solutions  

Bislang werden die in Kameras eingebauten Taktgeber beim Einschalten der Energiequelle zurückgesetzt, und die Zeitstempel beginnen asynchron aufwärts zu zählen. Bei vernetzten Kameras geht die Synchronisierung dieser Zeitstempel im Laufe der Zeit infolge von Abweichungen der Taktgeberfrequenzen nach und nach verloren. Das bedeutet, dass vom Kamerasystem ausgegebene Informationen unzuverlässig sein können.

Bei IEEE1588 handelt es sich um ein vom Precision Time Protocol (PTP) gefordertes Protokoll, das für über Ethernet verbundene Geräte in Kraft tritt. Es sorgt für die extrem genaue zeitliche Synchronisierung von Kameras, die über ein Ethernet-Kabel mit einer ‘Grand Master’-Standardzeituhr verbunden sind. Kameras, die IEEE1588 unterstützen, tauschen in vorher festgelegten Zyklen synchronisierte Meldungen mit dem Grand Master aus, wobei der interne Zähler in Übereinstimmung mit der Zeitstempelinformation zum Sende- und Empfangszeitpunkt jeweils neu kalibriert wird.

Der IEEE1588-Zeitstempel ist ein Epochen-Zeitzähler, bei dem der 1. Januar 1970, 00:00 Uhr, als [0] gesetzt ist, und bietet eine Auflösung von 1 ns (1 GHz). Im Gegensatz zu den Mechanismen des Phasenregelkreises (PLL, Phase-Locked Loop) werden freilaufende Zähler jedes Mal dann aktualisiert wenn eine Synchronisierungsmeldung ausgetauscht wird. Eine Verkürzung des Zyklus-Intervalls mit dem Grand Master verbessert die Genauigkeit noch weiter, so dass die man sich auf die Genauigkeit des Systemausgangs verlassen kann.

Trigger und GPO-Links

Vor den Einsatz von IEEE1588 war es unmöglich, eine wirklich präzise gleichzeitige Bilderfassung in einem Mehrkamerasystem zu gewährleisten.

Vorgängergenerationen von GigE Vision-Kameras – bis hin zu und einschließlich GigE v1.2 – enthielten Aktionsbefehle, die so entwickelt waren, dass sie gleichzeitig mit einem einzigen Befehl für mehrere Kameras arbeiteten. Allerdings gab es dabei weiterhin einige nicht eindeutige Elemente, beispielsweise die Verzögerungen bei der Ausbreitung im Netzwerk oder Verzögerungen in der Firmware-Verarbeitung.

Um diese Probleme zu beheben, ermöglichte eine Kombination von IEEE1588 und dem Aktionsbefehl, welche zur GigE Vision 2.0 ergänzt wurde, jeder einzelnen Kamera die Vorgabe eines Zeitraums zur Aktionsausführung zu geben.

Die neue Kamerafamilie Sony XCG-CG wurde mit einer Funktion ausgestattet, welche die Belichtung in Synchronisation mit dieser absoluten Zeit beginnt, einschließlich Funktionen, die als IEEE1588-Applikationen definiert wurden und die mit den GigE Vision-Standards konform sind. Diese Funktionen werden als Scheduled Action Commands (geplante Aktionsbefehle) bezeichnet.

Die Aufgabe des Scheduled Action Command ist die Zeit der Synchronisierung für Software-Trigger und IEEE1588 vorzugeben. Zum Beispiel lässt sich die Synchronisation auf ‘einmal pro Sekunde’ einstellen, wonach sämtliche Kameras in einem Netzwerk in diesem Intervall mit dem Grand Master synchronisiert werden.

Durch eine Reduzierung des Intervalls zwischen der Synchronisierung kann sie ausgeführt werden, solang die Zeitdiskrepanzen noch gering sind, was zu einer Minimierung des Jitter beiträgt. Was den Freilauf betrifft, wird der Zeittakt bis zum Start der Kamerabelichtung mit der Zeit abgestimmt, die über den Grand Master synchronisiert wurde. Obwohl diese Vorgehensweise durch die Netzwerkumgebung beeinflusst wird, kann die Synchronsteuerung der Belichtung im Idealfall innerhalb von 1 µs durchgeführt werden.

Im Allgemeinen müssen getrennte Geräte vorgesehen werden, die als Grand Master fungieren – entweder auf dem freien Markt erhältliche Spezialgeräte oder ein PC mit einem Linux-OS, auf dem die kostenlose Grand Master-Software läuft. Jedoch werden bereits Untersuchungen über die Aufnahme einer IEEE1588-Master-Funktion in die XCG-CG-Familie im Rahmen eines künftigen Upgrades vorgenommen. Auf diese Weise würde die Kamera selbst in den Master verwandelt werden und die Notwendigkeit zur Bereitstellung eines getrennten Grand Master-Zeittakt würde entfallen. So ließe sich der Mechanismus zur Synchronisation zwischen Kameras; sowie zwischen Kameras und Peripheriegeräten vereinfachen.

Einsatzszenarien und Vorteile

- Vereinfachung der Ereignisauswertung (Post-Event Analyse): Durch eine Bestückung von GigE Vision-Kameras mit IEEE1588 sind diese in der Lage, ihre Zeiteinstellung mit der Grand Master Clock zu synchronisieren. Die mit den Bildpaketen verbundenen Zeitstempel können die absolute Uhrzeit anzeigen.

Eines der Szenarien zum Einsatz mit intelligenten Verkehrssystemen (ITS,  Intelligent Transport Systems) ist die noch genauere Erfassung von Fahrzeugen, welche die Höchstgeschwindigkeit überschreiten, ohne dass man Radar dazu braucht. Mithilfe der Zeitstempel, die man von zwei verschiedenen Punkten erhält, lassen sich Entscheidungen treffen, ob Fahrzeuge das Tempolimit überschreiten oder nicht. Zudem erhält man die genaue Uhrzeit von Bildern, die an beiden Punkten aufgenommen wurden, was die schnelle Geschwindigkeitsanalyse vereinfacht.

IEEE1588-Zeitstempel werden sich darüber hinaus auch für Industrieroboter sowie alle Arten von Prüfeinrichtungen, die in der Montageabteilung Verwendung finden, als besonders effektiv erweisen. Dadurch, dass man Bilder, welche die Prüfungsvorgänge und die Ergebnisse zeigen, mit der absoluten Uhrzeit versieht, lassen sich die betreffenden Gegenstände leicht identifizieren.

- Verbesserte Zuverlässigkeit des Bildverarbeitungssystems: Eines der Probleme bei der Installation von Bildverarbeitungssystemen für industrielle Montage- und Prüfroboter und Geräte ist das Layout der Verdrahtung. Kabel können dem Verschleiß unterliegen und sich auflösen wenn sie für Langzeitbetrieb eingesetzt werden, was eine Minderung der Funktionsfähigkeit des Systems zur Folge haben kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies passiert, nimmt mit der Anzahl von Kameras in einem System zu – die Anzahl der Kabel muss ebenfalls erhöht werden, wenn jede synchronisiert werden soll. Die XCG-CG Serie ermöglicht die Synchronisierung mehrerer Kameras mit IEEE1588 und Scheduled Action Commands. Sie unterstützen zudem PoE (Power over Ethernet), was heißt, dass lediglich ein Kabel zur Belichtungssynchronisation, zur Bildausgabe und für die Energieversorgung benötigt wird.

- Einschränkung der Taktung: Ein Problem, das für Systementwickler und Hersteller, die IEEE1588-konforme Systeme verwenden, bestehen bleibt, ist die Verzögerung zwischen Bilderfassung und dem Zeitpunkt, zu dem Peripheriegeräte – die IEEE1588 nicht unterstützen – in Aktion treten. Daher plant Sony, die neue Kamera-Familie mit dem universellen Ausgang GPO (General Purpose Output) zu verbinden, um den Betrieb derartiger Peripheriegeräte auf Basis von Zeitsynchronizität zu ermöglichen.

Ein Beispiel für die Vorteile dieses Lösungsansatzes ist folgendes: Durch die Verbindung des GPO der Kamera mit Robotern während des erwähnten Zeitraums – zu dem die Kamera Bilder erfasst bis der Roboter die Arbeit aufzunehmen beginnt – wird die Synchronisierung von Bilderfassung und Roboteraktionen ermöglicht. Ein anderes Beispiel entstammt der Flascheninspektion. Dabei müssen mehrere Kameras synchronisiert werden, wobei die Prüfgegenstände mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit transportiert werden. Bei Verwendung dieser Methode ergibt sich eine extrem hohe Verwandtschaft mit Systemen, welche die hochgenauen Synchronisationsfähigkeiten von IEEE1588 einsetzen.

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