Neben dem klassischen Einsatzgebiet in der Industrieautomation wächst der Markt für Produkte, bei denen Bildverarbeitung fest in ein kompaktes Seriengerät integriert ist. Es müssen also bei der Entwicklung Kriterien aus der Welt der Seriengeräte auf Bildverarbeitungssysteme angewendet werden.

Die Anwendungsfelder für integrierte Bildverarbeitungssysteme sind oft vollkommen unterschiedlich und finden sich in verschiedensten Branchen. So können zum Beispiel portable Messgeräte, Laborautomaten und auch so unterschiedliche Systeme wie Fahrzeuge oder Getränkeautomaten mit Kameras ausgestattet sein. Nicht in allen Anwendungen ist die Bildverarbeitung die eigentliche Hauptfunktion, sondern dient vielleicht zur Unterstützung der Steuerung oder bringt einen Zusatznutzen zur Steigerung von Bedienqualität oder Prozesssicherheit. Besonders in denjenigen Fällen, in denen die Bildverarbeitung nicht die erste Geige spielt, ist Kosteneffizienz ein wichtiges Thema. Die Aufwände für das Bildverarbeitungssystem werden hierbei besonders sorgfältig dem Mehrwert gegenübergestellt.

Synergien nutzen um Budgets einzuhalten

Während Aufgaben und Anforderungen an eingebettete Bildverarbeitungssysteme sehr individuell sind, haben sie meist gemein, dass Gerätegröße, Hardware-Preis und gegebenenfalls auch das verfügbare Energie-Budget begrenzt sind.  Um dies zur berücksichtigen, stellt sich für den Entwicklungsingenieur die Aufgabe, Funktionen und Komponenten möglichst durchgehend zu integrieren. So wird es möglich, Synergien innerhalb der Geräte-Hardware zu nutzen, was zu den gewünschten Einsparungen führt.

Wird der Prozessor, der die Steuerung von Motoren oder die Displayausgabe für die Anwenderkommunikation managt, zusätzlich schlank an die Kamera angebunden, kann er selbst direkt die Bilddaten auswerten. Eine weitere CPU für die Bildauswertung wird auf diese Weise eingespart. Außerdem reduziert sich der Hardware-Aufwand für die Kameraschnittstelle auf ein Minimum, weil sich High-Level-Schnittstellen umgehen lassen.

Kosten der Serien-Hardware optimieren

Auch bei der Wahl des Rechenkerns sind die Kostenvorgaben zu berücksichtigen. Natürlich braucht Bildverarbeitung ausreichend Rechenleistung. Diese sollte jedoch sorgfältig projektiert werden. Für kompakte Seriengeräte bieten sich CPUs an, die speziell für Embedded Computing-Anwendungen entwickelt wurden. Das sind meist ARM-basierte Microcontroller, die Taktfrequenzen im Gigahertz-Bereich und eine Mehrkern-Architektur aufweisen.

Sie bringen eine Vielzahl von Schnittstellen mit, die zur Ansteuerung der Geräte-Peripherie verwendet werden können. Darunter befinden sich oft auch ein oder mehrere Kameraschnittstellen. Diese ermöglichen die gewünschte Low-Level-Anbindung der Kamerasensorik an die CPU. Nicht zuletzt ist der Energiebedarf eines solchen Mikroprozessors in der Regel geringer als der eines Industrie-PCs - ein wichtiger Faktor bei batteriebetriebenen Applikationen.

Durch ein individuell entwickeltes Hardware-Design, das integrierte Komponenten anstelle von separaten Baugruppen für die einzelnen Funktionsbereiche verwendet, lassen sich also die Kosten der Serienhardware optimieren. Allerdings bedeutet diese Vorgehensweise in der Regel zunächst auch, daß sich die Aufwände und Risiken in der Entwicklungsphase erhöhen. Würden alle Elemente auf Bauteilebene zusammengestellt und ausentwickelt, müsste der Entwickler letztlich bis auf die Schaltungsebene des Prozessors hinuntersteigen und Herausforderungen wie zum Beispiel die Anbindung eines DDR3-RAMs an die CPU meistern. Außerdem darf nicht vergessen werden, daß für eine individuell entwickelte Prozessorumgebung auch das dazugehörige Betriebssystem angepasst werden muss. Die entsprechenden Entwicklungsaufwände sind – besonders im typischerweise mittelvolumigen Stückzahlbereich solcher Anwendungen – nicht darstellbar.
 

Modulare Konzepte

Wie also kann das Bildverarbeitungssystem einfach und flexibel aufgebaut werden und trotzdem der Aufwand in der Entwicklungsphase gering gehalten werden? Eine effiziente Lösung besteht in der Verwendung von vorentwickelten Hardware-Modulen. Sie bieten einem Mittelweg zwischen dem so genannten Design from Scratch und dem Einsatz von High-Level-Komponenten, die nicht die erforderliche Anpassbarkeit bieten. Speziell für die Integration entwickelte Hardware-Module besitzen aufeinander abgestimmte Low-Level-Schnittstellen, über welche sie einfach kombiniert werden können. Außerdem zeichnen sie sich durch ein Konzept aus, das den benötigten hohen Anpassungsgrad an die individuellen Anforderungen der Peripherie bietet.

Ein Beispiel für ein solches Konzept ist das Embedded Imaging-Portfolio von Phytec. Als Basis für das individuelle Gerätedesign stehen hier verschiedene Kameramodule mit Low-Level – Schnittstelle und darauf abgestimmte Mikrocontroller-Module mit entsprechender Kameraschnittstelle zur Verfügung. Wie aus einem Baukasten kann der Systementwickler ein Mikrocontroller-Modul und das passende Kameramodul kombinieren. Er erhält auf diese Weise bereits ohne Entwicklungsaufwand zwei Kernkomponenten, die auf seinen Bedarf abgestimmt sind. Mithilfe eines Entwicklungskits kann er bereits in dieser Stufe die Hardware in Betrieb nehmen und erproben. Durch ein solches Modulkonzept bleibt der Rechnerkern flexibel für die individuelle Gestaltung der Peripherie. Eventuell benötigte weitere Schaltungsteile, zum Beispiel Motortreiber oder spezielle Messwandler, die Spannungsversorgung und benötigte Steckverbinder können auf einer projektspezifischen Basis-Platine platziert werden, auf welche das Mikrocontroller-Modul aufgesteckt wird. So wird ein maximaler Freiheitsgrad in der Realisierung der elektrischen Funktionen bei minimalem Entwicklungsaufwand erreicht. Gleichzeitig ist eine optimale Anpassung an die mechanischen Vorgaben möglich.

Die Entwicklung dieser angepassten Basisplatine ist weniger komplex, die Beschaltung für viele typische Schnittstellen kann vom Referenzdesign des Entwicklungskits übernommen werden. Durch das offene Schnittstellenkonzept der Module kann die Entwicklung der individuellen Basisplatine durch den Geräteentwickler selbst in kurzer Zeit durchgeführt werden. Phytec bietet diesen Designschritt alternativ auch als Dienstleistung an. Die komplette Hardware kann also auf Wunsch aus einer Hand bezogen werden.

Software im Fokus

Wie erfolgen nun die Erstellung der Gerätesoftware und die Integration der Bildverarbeitungsalgorithmen in das System? Im Entwicklungskit von Phytec ist beispielsweise bereits ein Embedded Linux als passendes Board Support Package (BSP) und die Entwicklungsumgebung zur Erstellung der Anwendungssoftware enthalten. Über die Video4Linux-Schnittstelle (V4L2) kann standardisiert auf die Bilddaten der Kamera im System zugegriffen werden. Der Entwickler kann also sofort mit der Programmierung der Applikation beginnen und damit sein Konzept frühzeitig validieren. Wesentliche Teile der Software können unter Nutzung der Kit-Hardware sogar parallel zu der individuellen Hardware entwickelt werden.

Durch diese Vorgehensweise wird auf der Software-Ebene die gleiche Flexibilität wie im Hardwaredesign erreicht und die Entwicklungszeit stark verkürzt. Durch die Modularisierung von Hardware und Software wird die Designsicherheit erhöht. Individuelle Systeme mit integrierter Bildverarbeitung können so schnell zur Marktreife gelangen.