Sieben Wege, um bei der Auswahl von Kameras für intelligente Verkehrssysteme (IVS) den Erfolg sicherzustellen

Die richtige Kamera für ein IVS zu finden, kann entmutigend sein, aber durch die Befolgung dieser Richtlinien können Integratoren und OEMs erfolgreich sein.

Intelligente Verkehrssysteme (IVS) verbessern die Verkehrssicherheit und -mobilität, steigern die Produktivität, setzen Gesetze durch und helfen letztlich, Einnahmen zu erzielen. Werden jedoch bei der Auswahl von Kameras für ein IVS raue Umgebungen und spezifische Anwendungsanforderungen nicht berücksichtigt, wird der Erfolg des Systems beeinträchtigt. Außerdem ist es aufgrund der überwältigenden Anzahl von Optionen schwierig zu entscheiden, wo man anfangen soll.

Kameras werden in der IVS-Technologie für Anwendungen wie Verkehrsüberwachung, automatische Kennzeichenerkennung (ALPR; in Großbritannien als automatische Nummernschilderkennung oder ANPR bezeichnet), Zugangskontrolle, Überwachung von Fahrspuren für Fahrzeuge mit hoher Belegung (HOV – High-Occupancy-Vehicle), Parkkontrolle, Geschwindigkeitsüberwachung und Vermögensschutz eingesetzt. Je nach Anwendung können verschiedene Arten von Kameras und Systemen erforderlich sein. Jeder Einsatz stellt eine Herausforderung dar, ganz gleich, ob die Kamerakonfigurationen lange Kabelwege und die Fähigkeit erfordern, rauen Umgebungen standzuhalten, oder ob sie eingebettete Systeme mit Edge-Processing-Funktionen für schnelles Feedback benötigen. Die sorgfältige Berücksichtigung dieser Faktoren kann den Erfolg des Systems, niedrigere Betriebskosten und einen zukunftssicheren Betrieb gewährleisten. In diesem Artikel werden gängige Herausforderungen und Methoden zu deren Überwindung vorgestellt, um dem IVS zum Erfolg zu verhelfen.

Beginnen Sie mit der Bildqualität

Bei der Suche nach Kameras für IVS-Anwendungen muss jede Planung mit der Bildqualität beginnen. Bei ANPR/ALPR-Anwendungen hat das System zwei Hauptaufgaben: die Erkennung, dass sich ein Kennzeichen im Sichtfeld der Kamera befindet, und die anschließende Dekodierung des Kennzeichens. Beide Aufgaben sind fehleranfällig. Erfolgreiche ANPR/ALPR-Systeme erfordern qualitativ hochwertige Bilder, damit die Software Aufgaben der optischen Zeichenerkennung (OCR – Optical Character Recognition) und der optischen Zeichenüberprüfung (OCV – Optical Character Verification) durchführen kann. Systementwickler und -integratoren benötigen leistungsstarke Kameras.

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Kameras mit minderwertigen Bildsensoren können keine qualitativ hochwertigen Bilder erzeugen, daher muss der Bildsensor ein Hauptentscheidungsmerkmal sein. IVS-Szenen können aufgrund wechselnder Lichtverhältnisse im Außenbereich in ihrer Helligkeit stark variieren, und eine Kamera muss in der Lage sein, unabhängig von den Lichtverhältnissen Daten und Details in den hellsten und dunkelsten Teilen eines Bildes und den dazwischen liegenden Variationen zu erfassen und bereitzustellen. Das Maß für die Fähigkeit einer Kamera, höhere und niedrigere Lichtintensitäten zu erkennen, wird als “Dynamikbereich” bezeichnet; je höher der Dezibelwert (dB), desto besser. Hochwertige Bildsensoren wie die Global-Shutter-CMOS-Sensoren der Sony Pregius - und Pregius S-Reihe bieten einen hohen Dynamikbereich und eignen sich daher ideal für eine Vielzahl von IVS-Anwendungen.

Die Blackfly S-Kamerafamilie von Teledyne FLIR bietet eine beeindruckende Auswahl an Kameramodellen, die auf den Bildsensoren Sony Pregius und Pregius S basieren. Diese reichen von 1,6 MPixel bis 26 MPixel und eignen sich damit für eine breite Palette unterschiedlicher IVS-Aufgaben. Die Kameras BFS-PGE-161S7C-C (Farbe) und BFS-PGE-161S7M-C (Monochrom) sind beispielsweise mit dem 16,1-MPixel-Sensor Sony IMX542 Pregius S ausgestattet, der einen Dynamikbereich von 70,46 dB, eine Sättigungskapazität von 9.609 e und eine Quanteneffizienz von 45,76 % bei 470 nm (Blau), 52,26 % bei 525 nm (Grün) und 33,49 % bei 630 nm (Rot) aufweist. Die Anschaffung einer hochauflösenden Kamera, die für die Anwendung nicht erforderlich ist, erhöht die Kosten des Gesamtprojekts, ist aber sinnvoll, wenn man an zukünftige Szenarien denkt. Integratoren und Erstausrüster (OEMs) können zum Beispiel ihren Betrieb zukunftssicher machen, um eine Erweiterung der Straße zu ermöglichen und um zu vermeiden, dass sie später Kameras mit geringerer Auflösung austauschen müssen.

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Farbe einfangen, Blendung umgehen

Farbe ist ein weiterer wichtiger Qualitätsmaßstab. Im Falle von ANPR/ALPR zeigen Schwarz-Weiß-Bilder das Kennzeichen, während Farbbilder den Kontext der jeweiligen Situation wiedergeben (Ampeln, farbige Straßenschilder usw.). Farbe ist auch in Situationen wichtig, in denen an Fahrzeugen montierte Kameras auf falsch geparkte Autos achten. In Spanien zum Beispiel zeigen blaue Linien auf der Straße an, dass ein Autofahrer für den Parkplatz bezahlen muss, während grüne Linien anzeigen, dass der Platz für jemanden bestimmt ist, der in der Nachbarschaft wohnt. Eingebettete Bildverarbeitungssysteme können automatisch auf Verstöße prüfen, benötigen dafür aber eine hochwertige Farbwiedergabe.

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Bildsensoren zeigen eine besondere Reaktion auf Licht (Quanteneffizienz), und jede Lichtbedingung, wie z. B. Sonnenlicht, hat ihr eigenes Emissionsspektrum, das sich auf die Darstellung eines Bildes bei der Aufnahme auswirkt. Die Quanteneffizienz bestimmt die Fähigkeit eines Bildsensors, Photonen in Elektronen umzuwandeln, und variiert je nach Wellenlänge. Bei der Farberfassung wird berücksichtigt, wie jeder Farbkanal mit den anderen interagiert, und jeder Farbkanal wird unabhängig skaliert. Eine Farbkorrekturmatrix misst diese Wechselwirkungen und gleicht sie aus, um die realen Farben eines bestimmten Motivs genauer wiederzugeben. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, bei denen sich geringe Farbunterschiede negativ auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse auswirken können.

Kameras und Bildverarbeitungssysteme haben mitunter Probleme mit Reflexionen und Blendungen auf spiegelnden Oberflächen wie Glas. Wenn beispielsweise ein IVS zur Überwachung der HOV-Spur in ein Auto hineinschauen möchte, können Reflexionen und Blendung durch die Sonne verhindern, dass die Kamera Bilder des Innenraums des Fahrzeugs aufnimmt. Teledyne FLIR bietet zwei Kameras (eine GigE, eine USB), die auf dem monochromen Polarisationssensor Sony IMX250MZR mit 5 MPixel basieren, und eine Kamera (USB3), die auf dem RGB-Polarisationssensor Sony IMX250MYR mit 5 MPixel basiert.

Abbildung 2: Polarisationskameras können Bilder des Fahrzeuginnenraums auch in schwierigen Situationen aufnehmen, in denen es zu Blendungen oder Reflexionen kommen kann.

Finden Sie einen Hardware-Experten

Einige Integratoren und Erstausrüster in der IVS-Branche haben möglicherweise mehr Erfahrung mit Software als mit Hardware. Die Auswahl, Prüfung und Optimierung der Hardware stellt eine Herausforderung dar. Ein erfahrener Kameralieferant kann jedoch technische Beratung zum Projekt anbieten und bei der Auswahl und Einrichtung der Kameras helfen. Der Lieferant sollte auch auf vertrauenswürdige Partner verweisen, wenn es um Zubehör und Dienstleistungen geht, die nicht vom Unternehmen selbst angeboten werden, z. B. Objektive, Verkabelung, Gehäuse und Softwareentwicklung.

OEMs und Integratoren benötigen auch Unterstützung in der Design- und Entwicklungsphase sowie Hilfe bei der Systemeinrichtung und Softwareberatung. Nutzer sollten sich an Kameraunternehmen wenden, die diese Dienstleistungen durch eine Kombination aus Systemtechnikern und Support-Teams mit häufigen Kontrollanrufen anbieten. Bevor sie sich für einen Hardware-Anbieter entscheiden, sollten sich die Endnutzer auch nach dem System-Support erkundigen und danach, wie der Anbieter mit seinen Kunden umgeht.

Ein Gleichgewicht finden: SWaP-C und Leistung

SWaP-C ist ein beliebter Begriff in der Forschung und Entwicklung sowie bei militärischen Anwendungen und steht für „Größe, Gewicht, Leistung und Kosten“. Anwendungen aller Art erfordern Geräte, Systeme und Programme mit optimalem SWaP-C. IVS-Anwendungen sind da nicht anders. Kostengünstige IVS-Platinenkameras sind in den letzten Jahren immer beliebter geworden. Kameras mit kleineren Abmessungen sind jedoch noch nicht genug. Diese Kameras müssen ein Gleichgewicht zwischen SWaP-C und Leistung erreichen. Teledyne FLIR gleicht dies u. a. dadurch aus, dass es garantiert, dass alle seine Platinenkameras im Vergleich zu den Gehäuseversionen der Kamera den gleichen Funktionsumfang aufweisen.

Abbildung 3: Trotz der kompakten Bauweise bieten die Teledyne FLIR Platinenkameras die gleichen Funktionen wie ihre Gegenstücke im Gehäuse.

Ein IVS-Trend ist der Einsatz von Kameras mit höherer Auflösung, die mehrere Fahrspuren auf einer Autobahn abdecken. Integratoren, die bisher Platinenkameras mit niedrig auflösenden Bildsensoren verwendet haben, können beispielsweise eine 1,3-MPixel-Kamera durch eine 8,9-MPixel- oder 12-MPixel-Kamera ersetzen. Wenn die neue Kamera jedoch nicht den gleichen Formfaktor wie das Vorgängermodell besitzt, muss der Integrator diese neu entwerfen und zertifizieren. Teledyne FLIR bietet Platinenkameras mit dem gleichen Formfaktor — in einer Vielzahl von Auflösungen — an, sodass Integratoren ihre Systeme viel einfacher aktualisieren können.

Eine Verlagerung hin zu eingebetteten Systemen

Wie auf dem Markt für industrielle Bildverarbeitung hat sich auch beim IVS eine Verlagerung hin zu eingebetteten Systemen mit Edge-Computing-Funktionen in einem stromsparenden Design mit kleinem Formfaktor vollzogen. Wenn man an eingebettete Systeme in IVS denkt, denkt man vielleicht zuerst an den Einsatz im Fahrzeug, aber eingebettete Systeme eignen sich für fast alle IVS- oder Smart-City-Anwendungen.

Integratoren sollten einige der beliebtesten eingebetteten Hardware-Optionen auf ihre Eignung hin überprüfen. Können die Kameras zum Beispiel mit den eingebetteten Modulen Jetson TX2 oder Xavier von NVIDIA zusammenarbeiten? Viele IVS-Anwendungen wenden anspruchsvolle Algorithmen an und erfordern ein System, das diese verarbeiten kann.

Aus diesem Grund hat Teledyne FLIR die Trägerplatine Quartet™ für TX2 eingeführt. Speziell für IVS-Anwendungen angepasst, ermöglicht diese Kunden, direkt vier USB3-Platinenkameras mit dem TX2 zu verbinden, ohne dass Hubs oder Konverter benötigt werden. Jeder Anschluss in der Power-over-Cable-Platine verfügt über einen eigenen Bus, sodass er sich die Bandbreite nicht mit anderen Anschlüssen teilen muss. Mit Quartet können Integratoren beispielsweise gleichzeitig eine hochauflösende Farbkamera für den Gesamtkontext, eine Monochromkamera für ANPR/ALPR und eine Polarisationskamera für die Sicht durch Windschutzscheiben einsetzen — in einem einzigen verbundenen System.

Abbildung 4: Die Trägerplatine Quartet wurde für Jetson TX2 entwickelt und ermöglicht den Anschluss von vier Kameras in Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

Robustes, zuverlässiges Design

Kameras, die in IVS-Anwendungen eingesetzt werden, müssen dieser Aufgabe auch physisch gewachsen sein. Im Falle von Fahrzeuganwendungen müssen die Integratoren die Fähigkeit der Kamera berücksichtigen, z. B. die Funktionsfähigkeit bei extremen Temperaturen. Zwar sind viele Kameras in ein Schutzgehäuse integriert, um der Witterung zu trotzen, doch müssen die Kameras auch bei heißen Temperaturen (über 50 °C) funktionieren. Teledyne FLIR stellt sicher, dass alle Kameramodelle erfolgreich HALT-Tests (Highly Accelerated Life Testing) durchlaufen haben, um sicherzustellen, dass bei Temperaturen von -30 bis 80 °C keine Kameraausfälle auftreten.

Integratoren müssen bei der Auswahl einer Kamera auch Stöße und Vibrationen berücksichtigen. Um die Bildqualität und die langfristige Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten, müssen die Kameras den Industriespezifikationen für Stöße und Vibrationen entsprechen. Beim Kauf einer Kamera sollten Integratoren recherchieren, welcher Art von Tests diese unterzogen wurde. Die Vibrationsprüfung von Teledyne FLIR-Kameras wird öffentlich dokumentiert.

Im Allgemeinen müssen IVS-Kameras extrem zuverlässig sein. Um eine Binsenweisheit aus der Welt des Sports zu zitieren: „Die beste Fähigkeit ist die Verfügbarkeit“. Kameras müssen in der Lage sein, die geforderten Aufgaben über einen langen Zeitraum zu erfüllen, ohne dass es zu Fehlfunktionen kommt oder diese defekt werden und ersetzt werden müssen. Alle IVS-Integratoren kennen die Kosten und den Aufwand, die mit dem Austausch von Kameras in einem bereits installierten System verbunden sind. Integratoren können diese Unannehmlichkeiten und Peinlichkeiten vermeiden, indem sie sich für qualitativ hochwertige Kameras entscheiden, die sich in einer IVS-Umgebung über viele Jahre hinweg bewährt haben.

Nutzung von Zeitstempeln und GPS-Daten

GigE Vision-Kameras sind aus mehreren Gründen in IVS-Anwendungen beliebt, unter anderem wegen ihrer Fähigkeit, extrem lange Kabel zu unterstützen. Ein weiterer, vielleicht etwas weniger bekannter Grund ist deren Fähigkeit, das IEEE 1588 Präzisionszeitprotokoll (PTP) zu unterstützen. Kameras, die IEEE 1588 PTP unterstützen, versehen die Bilder zum Zeitpunkt der Aufnahme mit einem genauen Zeitstempel. Darüber hinaus bietet diese Norm erweiterte Funktionen, wie z. B. die Möglichkeit, dass mehrere Kameras auf Grundlage eines internen zeitbasierten Befehls synchronisierte Bildaufnahmen durchführen können, ohne dass eine externe Auslösung erforderlich ist.

Abbildung 5: Die Pfadverzögerung wird berechnet und beim Synchronisieren der Uhren zwischen Geräte berücksichtigt. Die Primärseite sendet zwei Signale an Slave (1) und (2). Die Sekundärseite sendet dann ein Signal zurück (3), und die Pfadverzögerung wird berechnet und zur Synchronisierung der Uhren angewendet (4).

Dieser Standard ist wichtig, weil er die Möglichkeit bietet, sich mit externer Hardware zu synchronisieren und GPS-Daten in Bildströme einzubetten. Ein Beispiel hierfür ist die genaue Erkennung von Fahrzeugen, die gegen die Geschwindigkeitsbegrenzung verstoßen (ohne Radar). Zeitstempel von zwei verschiedenen Punkten können helfen festzustellen, ob ein Fahrzeug die Geschwindigkeitsbegrenzung überschritten hat, und genaue Bildzeiten von beiden Punkten vereinfachen auch eine hoch-präzise Geschwindigkeitsanalyse.

Zeitstempel sind auch für die automatische Mauterhebung an Schrankenanlagen wichtig. Ein ungenauer Zeitstempel ergibt kein Bild des gesamten Fahrzeugs; der Zeitstempel muss für die Mauterhebung übereinstimmen. Bei der Planung des Systems muss vor dem Kauf berücksichtigt werden, ob eine Zeitstempelung erforderlich ist.

Erfolg mit dem System

Es ist unvermeidlich, dass einige der heute auf dem Markt erhältlichen Kameras irgendwann ausfallen und Probleme verursachen — ganz zu schweigen von verlorener Zeit, Geld, Ansehen und öffentlichem Vertrauen. Achten Sie bei der Bewertung von Kameras auf die Bildqualität, die Flexibilität der Hardware, eingebettete Funktionen, das physische Design und die Zuverlässigkeit sowie auf die Bedeutung von Zeitstempeln und GPS-Daten. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren können Integratoren den Gesamterfolg des Systems sicherstellen.

Teledyne FLIR bietet eine Reihe von robusten, kompakten Industriekameras an, die zuverlässig in verschiedenen IVS-Projekten eingesetzt werden können und den Bedarf an niedriger Auflösung (1,3 MPixel) bis hin zu hoher Auflösung (20 MPixel und mehr) für die Abdeckung mehrerer Fahrspuren abdecken. Setzen Sie sich noch heute mit uns in Verbindung, um zu erfahren, wie Ihre IVS-Anwendung durch unsere Kameras verändert werden kann — gleich, ob es sich um Standardkameras handelt oder ob diese auf Ihre speziellen Anforderungen zugeschnitten sind.

Abbildung 6: Kameras wie die Blackfly S von Teledyne FLIR nutzen die neueste CMOS-Bildsensortechnologie der Pregius- und Pregius S-Serie von Sony.