Auswahl der geeigneten Kamera für NVIDIA Jetson und andere Embedded-Systeme

Im Bereich der KI-basierten eingebetteten Systeme ist das Kameramodul eine zentrale Komponente. Bei der Fülle der auf dem Markt erhältlichen Optionen mag die Auswahl des richtigen Kameramoduls wie eine entmutigende Aufgabe erscheinen. Doch keine Angst! Dieser Artikel hilft Ihnen, den Auswahlprozess zu entmystifizieren und eine fundierte Entscheidung für Ihre eingebettete Anwendung zu treffen, um die Kompatibilität mit dem leistungsstarken NVIDIA Jetson zu gewährleisten.

1. Der Sensor:

Das Herzstück eines jeden Kameramoduls ist sein Sensor. Um die richtige Wahl zu treffen, ist es wichtig, die Unterschiede zwischen dem CCD- und dem CMOS-Sensor zu kennen.

• CCD-Sensor: Die Pixelwerte in einem CCD-Sensor sind pro Zeile lesbar. Jede Pixelzeile wird nacheinander in ein Ausleseregister verschoben. Dieser sequentielle Prozess hat seine Vorzüge, insbesondere bei bestimmten Anwendungen.
• CMOS-Sensor: Im Gegensatz dazu ermöglicht ein CMOS-Sensor das individuelle und parallele Auslesen jedes Pixels. Diese parallele Auslesefähigkeit bietet Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit und Effizienz, so dass CMOS-Sensoren in verschiedenen Szenarien bevorzugt eingesetzt werden.

2. Schnittstelle (Anschluss):

Die Wahl der richtigen Schnittstelle oder des richtigen Anschlusses ist für eine nahtlose Integration von entscheidender Bedeutung. Berücksichtigen Sie Faktoren wie die Kompatibilität mit Ihrem eingebetteten System und die Einfachheit des Anschlusses.

3. Optik:

Die Optik spielt eine entscheidende Rolle für die Qualität der aufgenommenen Bilder. Bewerten Sie Faktoren wie Objektivqualität, Brennweite und Blende, um eine optimale Leistung für Ihre spezifischen Anwendungsanforderungen sicherzustellen.

CMOS-Sensoren: Kostengünstig und leistungsfähig

Wenn es um Sensoren geht, entbrennt der Kampf zwischen CMOS und CCD, wobei jeder seine Stärken hat. CMOS-Sensoren, die für ihre Kosteneffizienz und Energieeffizienz bekannt sind, zeichnen sich in den meisten Anwendungsfällen durch eine hohe Bildqualität aus. Durch das parallele Auslesen der Pixelwerte haben sie außerdem den Vorteil, dass sie höhere Bildraten erreichen, was für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Kostengünstig:

CMOS-Sensoren sind eine preisgünstige Option ohne Abstriche bei der Bildqualität, was sie zu einer bevorzugten Wahl für verschiedene Branchen macht.

Energieeffizient:

Ihre Energieeffizienz trägt zu einer längeren Nutzung des Geräts und einem geringeren Stromverbrauch bei, was den Zielen der Nachhaltigkeit entgegenkommt.

Hohe Bildwiederholraten:

Durch das parallele Auslesen der Pixelwerte können CMOS-Sensoren höhere Bildraten erzielen und so eine flüssigere und dynamischere Bildaufnahme gewährleisten.

CCD-Sensoren: Hervorragend in spezialisierten Szenarien

Trotz der Dominanz von CMOS-Sensoren haben CCD-Sensoren ihre Nische, in der sie sich in bestimmten Szenarien auszeichnen:

Lange Belichtung:

CCD-Sensoren glänzen in Situationen, die eine lange Belichtung erfordern, und liefern eine außergewöhnliche Bildqualität bei Anwendungen wie der astronomischen Fotografie.

Rauscharme Bilder:

In Umgebungen, die besonders rauscharme Bilder erfordern, bewähren sich CCD-Sensoren, die für Klarheit und Präzision sorgen.

Das Verständnis der Stärken der einzelnen Sensortypen ermöglicht es den Entscheidungsträgern, die richtige Technologie für ihre spezifischen Anforderungen zu wählen. Während CMOS-Sensoren Kosteneffizienz und hohe Leistung bieten, zeichnen sich CCD-Sensoren in speziellen Szenarien aus und gewährleisten in jeder Umgebung optimale Bildqualität.

Optionen für elektronische Verschlüsse: Global vs. Rolling

Bei der Wahl eines elektronischen Verschlusses spielt die Entscheidung zwischen Global- und Rolling-Shutter eine entscheidende Rolle. Bei einem Global Shutter werden alle Pixel gleichzeitig belichtet, wodurch Bewegungsunschärfe und Verzerrungen vermieden werden. Ein Rolling Shutter hingegen belichtet Pixelreihen nacheinander, was zu Verzerrungen führen kann, wie in Abbildung 1 (Verzerrung der Rotorblätter durch einen Rolling Shutter in einem Hubschrauber) dargestellt. Global Shutter vereinfachen zwar die Synchronisierung mehrerer Kameras, sind aber oft teurer als ihre Gegenstücke mit Rolling Shutter.

Farb- vs. Monochromsensoren: Gleichgewicht zwischen Daten und Verarbeitungsgeschwindigkeit

Für Bildverarbeitungsaufgaben wie Fehlererkennung und Anwesenheitsüberwachung ist ein monochromer Bildsensor oft ausreichend. Monochrome Sensoren weisen jedem Pixel acht Bits zu, während Farbsensoren die dreifache Datenmenge verwenden (acht Bits für den roten, grünen und blauen Kanal), was zu einer längeren Verarbeitungszeit und einer niedrigeren Bildrate führt. Wägen Sie bei der Auswahl eines Sensors für Ihre Anwendung sorgfältig zwischen dem Bedarf an Farbe und der gewünschten Bildrate ab.

Dynamischer Bereich: Verbessern der Sensorleistung

Der Dynamikbereich, d. h. das Verhältnis zwischen maximalem und minimalem erfassten Signal, ist für eine optimale Sensorleistung von entscheidender Bedeutung. Bei Anwendungen in Innenräumen ist ein hoher Dynamikbereich (HDR) von mindestens 80 dB erforderlich, um eine genaue Darstellung der Intensitätswerte zu gewährleisten. Bei Außenanwendungen mit wechselnden Lichtverhältnissen kann ein höherer HDR-Wert von bis zu 140 dB erforderlich sein. Die Kenntnis der Anforderungen an den Dynamikbereich stellt sicher, dass Ihr Bildverarbeitungssystem in verschiedenen Umgebungen zuverlässig funktioniert.

Navigieren Sie durch die Komplexität elektronischer Shutter, Sensortypen und Überlegungen zum Dynamikbereich, um fundierte Entscheidungen für Ihre Bildverarbeitungsanforderungen zu treffen. Erzielen Sie eine optimale Leistung bei gleichzeitiger Abwägung von Kosteneffizienz und Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der Auswahl Ihrer Sensoren.

Auflösung im Detail: Beleuchtung, Pixelgröße und optische Überlegungen

Im Bereich der industriellen Bildverarbeitung ist die Auflösung der Dreh- und Angelpunkt für die genaue Wiedergabe von Objektdetails. Die Beleuchtungsbedingungen, die Pixelgröße des Sensors und die optischen Fähigkeiten beeinflussen gemeinsam die Auflösung eines Sensors. Je kleiner die Objektdetails werden, desto höher muss die Auflösung sein, was sie zu einem kritischen Faktor bei Bildverarbeitungsanwendungen macht.

Pixelauflösung: Der Schlüssel zu scharfen Bildern

Die Pixelauflösung, die die Größe der einzelnen Pixel in Millimetern angibt, ist der Schlüssel zur Bildschärfe. Eine höhere Auflösung führt zu einem schärferen Bild und stellt sicher, dass auch feinere Details erfasst werden. Um eine ausreichende Abdeckung zu gewährleisten, muss die Kamera- oder Sensorauflösung ein Objektmerkmal mit mindestens zwei Pixeln abdecken.

Balanceakt: Auflösung vs. Bildrate

Hochauflösende CMOS-Sensoren haben oft mit niedrigen Bildwechselfrequenzen zu kämpfen, was eine Herausforderung bei der Erfassung von Qualitätsbildern darstellt. Es ist zwar wichtig, die erforderliche Auflösung zu erreichen, aber ebenso wichtig ist es, eine ausreichende Bildrate pro Sekunde zu gewährleisten. Die Bewertung der Geschwindigkeit des Sensors ist entscheidend, um das richtige Gleichgewicht für eine optimale Leistung zu finden.

Faustformel: Bestimmung der idealen Auflösung

Für einen differenzierten Ansatz zur Bestimmung der Auflösung gilt die folgende Faustregel, die in Abbildung 2 dargestellt ist. Der Multiplikator (2) bedeutet, dass in der Regel ein Minimum von zwei Pixeln auf einem Objekt bevorzugt wird, um eine erfolgreiche Erkennung und genaue Darstellung in Bildverarbeitungsanwendungen zu gewährleisten.

Beherrschen Sie die Feinheiten der Auflösung in der industriellen Bildverarbeitung und verstehen Sie die Auswirkungen von Beleuchtung, Pixelgröße und Optik. Navigieren Sie durch den heiklen Kompromiss zwischen höherer Auflösung und Bildrate und nutzen Sie einen praktischen Leitfaden, um die ideale Auflösung für Ihren speziellen Anwendungsfall zu bestimmen.

Auflösung = 2x Field of View (FoV) Größe des interessierenden Merkmals

Abbildung 2. Die erforderliche Sensorauflösung wird durch das Sichtfeld des Objektivs und die Größe des interessierenden Objekts bestimmt

Nehmen wir zum Beispiel an, Sie haben ein Bild einer Verletzung um das Auge eines Boxers.

• Auflösung = 2x 2000 (FoV) 4
• FOV, mm = 2000mm
• Größe des interessierenden Merkmals (das Auge), mm = 4 mm

Wenn es um die Augenerkennung geht, führt die Berechnung von 1000 x 1000 zu einer strategischen Erkenntnis: Eine Ein-Megapixel-Kamera bietet optimale Möglichkeiten für die Erkennung von Augen mit fortschrittlichen Algorithmen für Computer Vision (CV) oder künstliche Intelligenz (AI). Entdecken Sie die Präzision, die eine gut kalibrierte Kamera im Bereich der Augenerkennung bietet.

Die Sensor-Saga: Reihen von Pixeln und Fotoseiten

Die Anatomie eines Sensors besteht aus mehreren Reihen von Pixeln, die allgemein als Photosites bezeichnet werden. Diese integralen Bestandteile spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung des Sensors. Die Menge der Photonen, die ein Pixel sammelt, ist jedoch eng mit seiner Größe verbunden. Die Verlockung größerer Pixel ist zwar unbestreitbar, aber es ist wichtig, sich mit Szenarien zu befassen, in denen die Entscheidung für größere Pixel möglicherweise nicht die effektivste Wahl ist.

Balanceakt: Überlegungen zur Pixelgröße für ein optimales Ergebnis

Die Wahl der richtigen Pixelgröße ist ein heikles Gleichgewicht. Auch wenn größere Pixel für eine verbesserte Photonensammlung verlockend erscheinen mögen, sind sie nicht in jedem Fall die optimale Wahl. Tauchen Sie ein in die Feinheiten der Überlegungen zur Pixelgröße und verstehen Sie, wie das richtige Gleichgewicht dazu beiträgt, Präzision und Effektivität bei Augenerkennungsanwendungen zu erreichen.

Navigieren Sie durch die Feinheiten der Berechnungen und Sensorüberlegungen bei der Augenerkennung und stellen Sie sicher, dass Ihr Ansatz mit der von Computer Vision und Algorithmen der künstlichen Intelligenz geforderten Präzision übereinstimmt. Entfesseln Sie das Potenzial einer Ein-Megapixel-Kamera und verstehen Sie das empfindliche Gleichgewicht zwischen Pixelgröße und effektiver Photonenerfassung für optimale Ergebnisse.

Tabelle 1. Vor- und Nachteile von kleinen und großen Pixelgrößen

Strahlend hell: Rückseitig beleuchtete Sensoren und Lichtmaximierung

Rückseitig beleuchtete Sensoren stehen im Mittelpunkt und zeigen eine beispiellose Exzellenz bei der Maximierung der Lichterfassung und -umwandlung durch jede Fotodiode. Entdecken Sie die Brillanz dieser Spitzentechnologie, die im Vergleich zu vorderseitig beleuchteten Alternativen überlegene Leistung und verbesserte Effizienz bietet.

Vorderseite vs. Rückseite: Das Rätsel um die Metallverdrahtung

Während rückseitig beleuchtete Sensoren überragend sind, stoßen vorderseitig beleuchtete Gegenstücke auf eine Einschränkung. Metalldrähte, die strategisch über den Fotodioden positioniert sind, stellen ein potenzielles Hindernis dar und behindern bestimmte Photonen. Dieses Hindernis führt zu einer Verringerung des insgesamt erfassten Lichts und beeinträchtigt die Leistung des Sensors.

Einblicke in die Sensorauswahl: Optimierung der Leistung

Machen Sie sich mit den Feinheiten der Sensorauswahl vertraut und lernen Sie die Vorteile kennen, die rückseitig beleuchtete Sensoren mit sich bringen. Entdecken Sie die potenziellen Fallstricke, die mit der Metallverdrahtung von Sensoren mit vorderer Beleuchtung verbunden sind, und gewinnen Sie Erkenntnisse, um fundierte Entscheidungen für eine optimale Sensorleistung in verschiedenen Anwendungen zu treffen.

Erforschen Sie die Brillanz von hintergrundbeleuchteten Sensoren und die Auswirkungen der Metallverdrahtung auf ihre Pendants mit Frontbeleuchtung. Erweitern Sie Ihr Wissen für eine verbesserte Sensorauswahl und stellen Sie sicher, dass Ihre Wahl mit den lichtmaximierenden Fähigkeiten übereinstimmt, die von der Spitzentechnologie gefordert werden.

Im Bereich der maschinellen Bildverarbeitung ist die Bildrate, gemessen in Bildern pro Sekunde (FPS), der Schlüssel zu effizienten Inspektionen. Erfahren Sie mehr über den kritischen Zusammenhang zwischen der Bildrate und der erforderlichen Anzahl von Inspektionen, der eng mit der Verschlusszeit verknüpft ist - der Zeit, die der Kamerasensor für die Bilderfassung belichtet wird.

Herausforderungen der realen Welt: Maximierung der erreichbaren FPS

Theoretisch stehen die maximale Bildrate und die Belichtungszeit in einem umgekehrten Verhältnis. Das Erreichen der gewünschten FPS ist jedoch mit realen Herausforderungen verbunden, wie z. B. der Latenzzeit beim Auslesen der Bilder, der Sensorauflösung und den Datenübertragungsraten der Schnittstelle, einschließlich Überlegungen zur Verkabelung. Entdecken Sie Strategien wie zusätzliche Beleuchtung und Pixel-Binning, um den Bedarf an langen Belichtungszeiten zu verringern und die FPS zu erhöhen.

Sensor-Vorteile: CMOS vs. CCD im FPS-Rennen

CMOS-Sensoren sind im Wettlauf um höhere FPS führend, da sie im Vergleich zum Ladungstransfer im Schieberegister eines CCD-Sensors eine schnellere Pixelauslesung ermöglichen. Erhalten Sie einen Einblick in die Vorteile, die CMOS-Sensoren zur bevorzugten Wahl machen, wenn es darum geht, höhere Bildraten in Bildverarbeitungsanwendungen zu erzielen.

Der Anschluss von Kameramodulen an eingebettete Systeme erfordert eine strategische Schnittstellenauswahl. USB- und Ethernet-Schnittstellen werden in der Regel für die Evaluierung bevorzugt, da sie die Entwicklung eigener Treiber überflüssig machen. Informieren Sie sich über wichtige Parameter wie Übertragungslänge, Datenrate und Betriebsbedingungen (siehe Tabelle 2), um fundierte Entscheidungen für eine nahtlose Integration zu treffen.

Begeben Sie sich auf eine Reise in die komplizierte Dynamik von Bildrate, Verschlusszeit und Schnittstellenüberlegungen in der industriellen Bildverarbeitung. Erweitern Sie Ihr Wissen, stimmen Sie die Bildraten mit den Prüfanforderungen ab und treffen Sie die optimale Schnittstellenauswahl für eine reibungslose Integration von Kameramodulen in eingebettete Systeme.

Tabelle 2. Vergleich der verschiedenen Kamera-Schnittstellen

In bildgebenden Systemen spielen optische Linsen eine zentrale Rolle bei der Erfassung von Streulicht und der Rekonstruktion von Bildern auf lichtempfindlichen Sensoren, ob CCD oder CMOS. Die Wahl des richtigen Objektivs ist ein komplexes Zusammenspiel von Faktoren wie Brennweite, Sensorformat, Sichtfeld, Blende, Hauptstrahlwinkel, Auflösungsvermögen und Verzeichnung.

Das Objektiv-Spektrum: Standardbrennweiten und Auswahlmöglichkeiten

Optische Objektive sind in einer begrenzten Anzahl von Standardbrennweiten erhältlich, z. B. 6 mm, 8 mm, 12,5 mm, 25 mm und 50 mm. Diese Auswahlmöglichkeiten bilden das Spektrum, und die Auswahl des Objektivs mit der Brennweite, die den Anforderungen Ihres Bildgebungssystems am nächsten kommt, ist der erste Schritt.

Fokussierungsdynamik: Anpassung des Arbeitsabstands für Präzision

Sobald die optimale Brennweite ermittelt ist, muss der Arbeitsabstand angepasst werden, um das zu untersuchende Objekt scharf zu stellen. Es ist wichtig zu beachten, dass Objektive mit kürzeren Brennweiten, insbesondere mit weniger als 12 mm, zu merklichen Verzerrungen in den aufgenommenen Bildern führen können.

Herausforderungen durch Verzerrung: Strategien für die Empfindlichkeit

In Szenarien, in denen die Verzeichnungsempfindlichkeit im Vordergrund steht, empfiehlt es sich, den Arbeitsabstand zu vergrößern und ein Objektiv mit einer größeren Brennweite zu wählen. Wenn jedoch die Änderung des Arbeitsabstands eine Herausforderung darstellt, wird die Wahl eines optimierten Objektivs zu einer strategischen Vorgabe.

Begeben Sie sich auf eine Reise in die Feinheiten der Optik für bildgebende Systeme und gewinnen Sie Einblicke in Brennweiten, Arbeitsabstände und Verzeichnungsüberlegungen. Verbessern Sie Ihren Prozess der Objektivauswahl für CCD- oder CMOS-Sensoren und sorgen Sie so für einwandfreie Bildergebnisse in verschiedenen Anwendungen.

anwendungen.

Tabelle 3. Haupttypen von Kameraobjektiven

Präzisionsbefestigung: Die entscheidende Rolle von Objektivbefestigungssystemen

Das Anbringen eines Objektivs an einer Kamera geht über eine einfache Verbindung hinaus und erfordert ein spezielles Befestigungssystem. Die mechanische Stabilität steht dabei im Mittelpunkt, da ein locker sitzendes Objektiv die Bildschärfe gefährden kann. Darüber hinaus ist die Präzision bei der Festlegung des Abstands zum Sensor von größter Bedeutung für optimale Ergebnisse.

Industrielle Standards: Objektivanschlüsse für nahtlose Kompatibilität

Um die Kompatibilität einer Vielzahl von Objektiven und Kameras zu gewährleisten, haben sich in der Industrie genormte Objektivanschlüsse als Grundlage etabliert. Diese standardisierten Fassungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung eines nahtlosen Anbringungsprozesses und einer präzisen Ausrichtung zwischen Objektiven und Kameras. Tauchen Sie ein in die Welt der genormten Fassungen für eine problemlose und präzise Objektiv-Kamera-Verbindung.

Tabelle 4. Übliche Objektivfassungen im eingebetteten Raum

Abbildung 4. NVIDIA Jetson in Kombination mit Kameramodulen kann in verschiedenen Branchen für unterschiedliche Anforderungen eingesetzt werden

Die Auswahl der richtigen Kamera für Ihr Projekt ist ein entscheidender Schritt bei der Systemintegration. Dieser Beitrag vereinfacht den Prozess, indem er wesentliche Faktoren wie Design, Leistung, Umgebung und Kosten hervorhebt. Entdecken Sie die wichtigsten Grenzen, die die Grundlage für eine erfolgreiche Kamerawahl bilden.

Maßgeschneiderte Funktionen für Ihre einzigartigen Bedürfnisse

Sobald Sie die grundlegenden Grenzen erkannt haben, können Sie sich auf die Funktionen konzentrieren, die den spezifischen Anforderungen Ihres Projekts entsprechen. Für abgelegene Aufstellungen oder schwierige Umgebungen sollten Sie die Effizienz der GMSL-Schnittstelle in Betracht ziehen. Bei schlechten Lichtverhältnissen sollten Sie sich für Kameras mit größeren Pixeln und Sensoren entscheiden. Und für dynamische Anwendungen sollten Sie die Vorteile einer Global Shutter-Option in Betracht ziehen.

Auch wenn der Prozess der Kameraauswahl auf den ersten Blick überwältigend erscheinen mag, ist der erste Schritt das Verstehen der einzigartigen Beschränkungen Ihres Projekts. Entschlüsseln Sie die Feinheiten, wägen Sie die Grenzen ab und stimmen Sie dann die Funktionen auf Ihre spezifischen Anforderungen ab. Dieser Leitfaden hat den Entscheidungsprozess hoffentlich vereinfacht und stellt sicher, dass Sie eine Kamera wählen, die perfekt auf Ihre Projektziele abgestimmt ist.