Modularer Aufbau einer intelligenten Kamera für die Bildsignalverarbeitung
Fachgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Konstruktions- und Montageart einer intelligenten Kamera, inklusive Aufbau der Elektronik.
Für die digitale Verarbeitung von Bilddaten werden zur Zeit häufig PC als Rechner eingesetzt, während die Bildaufnahme über analoge Kameras erfolgt. Die Bilder werden über eine „Frame grabber"-Karte digitalisiert. Für verschiedene Anwendungen werden nun aber sogenannte intelligente Kameras gebraucht, um die Aufgaben der Bildverarbeitung höher zu integrieren. Im Gegensatz zum klassischen Bildsignalverarbeitungssystemen mit PC, „Frame-grabber"-Karte für die Digitalisierung der Bilder und Video- Kamera vereinigt die intelligente Kamera all diese Funktionen in eine einziges Gehäuse. Eine intelligente Kamera ist demnach ein elektronisches System, welches im selben Gehäuse den Bildsensor mit der AD-Wandlung, den einem Prozessor und der Peripherie wie Speicher, Bus und Kommunikationsschnittstellen etc. besteht.
Die intelligente Kamera zeichnet sich dadurch aus, dass sie Bilder ohne weitere Peripherie aufnehmen kann (Optik, Bildsensor, AD-Wandlung), und diese dann digital verarbeiten (Prozessor, Speicher) und schliesslich Auswertungen über die Schnittstelle an ein weiteres Gerät liefern kann (Bus, Schnittstellen).
Beschreibung der Erfindung
Das Ziel der Erfindung der Aufbau einer intelligenten Kamera (im Englischen als „smart camera" bezeichnet) gemass Anspruch 1. Zum Aufbau gehören die
Elektronischen Baugruppen und die mechanischen Teile, sowie dessen Montageart. Die Erfindung beinhaltet die folgenden Punkte:
• Die intelligente Kamera sollte aus modularen Elektronik-Baugruppen bestehen, die für andere Produkte wiederverwendet werden. Ein
Elektronik-Modul kann verschiedene Funktionen beinhalten. Dadurch können die Funktionen eines Produktes durch hinzufügen von Baugruppen erweitert werden.
• Die Elektronik-Baugruppe, welche den Bildsensor enthält, ist mit einer Starr-Flex Leiterplatte aufgebaut.
• Die Art, wie die gesamte modulare Elektronik in das Gehäuse montiert wird. Es ist eine einfache und kostensparende Art, die schnell ausgeführt werden kann.
Diese Erfindung beschreibt also eine bestimmte Bauweise und Montage einer intelligenten Kamera. Das Ziel es ist, eine möglichst flexibler Aufbau mit möglichst geringen Kosten zu schaffen.
Aufzählung der Zeichnungen
Figur 1 Intelligente Kamera
Figur 2 Oberste Leiterplatte im modularen Aufbau der intelligenten Kamera
Figur 3 Mittlere Leiterplatte der intelligenten Kamera
Figur 4 Unterste Leiterplatte der intelligenten Kamera
Figur 5 Mechanische Befestigungseinrichtung der Elektronik an das Gehäuse Figur 6 Aufstapeln der einzelnen Leiterplatten
Figur 7 Modulare Elektronikbaugruppen mit den zugeordneten
Funktionen
Figur 8 Elektronik in der Kamera eingebaut
Ausführung der Erfindung
Ein Beispiel zu Ausführung der Erfindung ist anhand der Figuren 1 bis 7 beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer intelligenten Kamera. Die intelligente Kamera besteht mindestens aus einem Objektiv oder eine Optik, aus einem Bildsensorteil, welcher das Bild aufnimmt und digitalisiert, und aus einem Prozessorteil, der ein Algorithmus (Software) ausführen kann, um die Bildinformation mit digitaler Signalverarbeitung zu bearbeiten. Weitere Funktionen, die aber nicht notwendig für eine intelligente Kamera sind, sind die Kommunikationsschnittstellen oder Eingabe/Ausgabe-Kanäle, worüber Daten zu anderen Peripheriegeräte gesendet oder von ihnen empfangen werden können. Diese Daten können aus komprimierten oder unkomprimierten Bilddaten bestehen, aber auch aus Steuersignalen, Auswertungsresultate aus den Bilddaten und ähnliches. Kommunikationsschnittstellen sind typischerweise die RS-232 oder RS-485, Ethernet oder andere Busschnittstellen.
Eine weitere nützliche Funktion ist ein Grafik-Treiber, welcher auf einem Bildschirm Bilder oder Videosequenzen darstellen kann, aber auch Messresultate visualisieren kann. Typischerweise wird ein VGA- Bildschirmtreiber oder ein PAL/NTSC-Fernseh-Bildschirmtreiber verwendet.
Figur 2 zeigt die oberste elektronische Baugruppe der intelligenten Kamera, welche den Bildsensorteil integriert. Eine Elektronische Baugruppe der Kamera besteht aus einer Leiterplatte (2), elektronischen Komponenten (5) und den Steckverbinder, um mit den anderen Baugruppen zu kommunizieren (4).
Die Baugruppe mit dem Bildsensor ist wie folgt aufgebaut: Der Bildsensor (1 ) ist auf einer starren Leiterplatte gesetzt, während auf dem anderen starren Teil weitere Komponenten (5) sind. Die Kommunikation zur nächsten Baugruppe wird über die Bussteckverbinder (4) gemacht. Die beiden starren
Leiterplatten (2) sind mit einem flexiblen Stück (3) miteinander verbunden. Diese Baugruppe ist die oberste Leiterplatte im modularen Aufbau. Der Bildsensor kann aus verschiedenen Technologien hergestellt sein, wie typischerweise die CMOS oder CCD Bildsensoren.
Figur 3 zeigt die mittleren Baugruppen der intelligenten Kamera. Die Recheneinheit (Prozessor mit Speicher, siehe Figur 1) ist auf einer solchen Baugruppe, aber auch eine Kommunikationsschnittstelle ist auf einer solchen Baugruppe untergebracht. Auf dieser mittleren Baugruppe befindet sich auf der oberen Seite der Leiterplatte (1 ) Bussteckverbinder (4), um mit der oberen Baugruppe zu kommunizieren (z. B. der Bildsensor). Auf der unteren Seite sind Steckverbinder, die die Kommunikation mit der unteren Baugruppe ermöglichen. Steckverbinder (6) am äusseren Rand rechts erlauben die Kommunikation mit der Aussenwelt.
Mit der Figur 4 wird diejenige Baugruppe dargestellt, die zuunterst in der Kamera integriert ist. Diese Baugruppe hat auf der Leiterplatte (1) nur noch Bussteckverbinder, um mit einer oberen Baugruppe zu kommunizieren (4). Für die Befestigung an das Gehäuse werden noch die Fixationslöcher (5) gebraucht. Diese Baugruppe beinhaltet in diesem Falle die Funktion der Grafikdarstellung entweder über eine VGA-Treiber, oder über einen Treiber für die gängigen TV-Signale wie PAL, SECAM oder NTSC. Diese Signale werden über die Steckverbinder am rechten Rand in die Aussenwelt geführt (3).
Die Figur 5 zeigt die unterste Baugruppe, welche mit den mechanischen Befestigungsschienen verschraubt ist. Die Schienen (2) sind in der Längsrichtung an den Rändern der Leiterplatte (1) verschraubt (3). Diese Schienen dienen zur Befestigung aller mechanischen Baugruppen in ein Gehäuse, und zur Versteifung der Leiterplatte. Die Befestigungsschienen sind aus einem robusten Material hergestellt wie zum Beispiel Stahl oder Aluminium, aber auch Kunststoff kann als Material verwendet werden.
In Figur 6 sind die einzelnen elektronischen Baugruppen zusammengesteckt. In diesem Falle sind es 3 Baugruppen (Leiterplatten), die aufeinander gestapelt sind. Der vordere Teil der oberste Baugruppe (2), der den Bildsensor (1) enthält, ist nun frei beweglich und kann in einem beliebigen Winkel zum Rest der Elektronik bewegt werden. Dies ist dank dem flexiblen Teil der Leiterplatte (3) möglich. Dadurch kann der Bildsensor parallel zu den anderen Leiterplatten liegen oder im 90°-Winkel, wie in der Figur 9 gezeigt wird. Um eine hohe Stabilität des Aufbaus zu erreichen, können die einzelnen Baugruppen durch die Fixationslöcher an die Befestigungsschiene (7) verschraubt werden. Die einzelnen Baugruppen kommunizieren über die Bussteckverbinder miteinander, welche die Baugruppen auch mechanisch miteinander verbinden.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung der gesamten Elektronik. Die Elektronik ist in Baugruppen unterteilt. Die untersten Baugruppe (3) hat die Funktion der Bilddarstellung (Grafiktreiber, kann für verschiedene Bildformate realisiert werden). Die oberste Baugruppe (1) hat die Funktion der Bildaufnahme. Durch die Kommunikationsverbindung (4) wird zwischen den einzelnen Baugruppen kommuniziert. Die Baugruppen in der Mitte des Stapels (2) werden für die Rechenfunktionen verwendet, aber auch für Kommunikationsaufgaben. Je nach Einsatzbereich des Produkts kann es mehrere mittlere Baugruppen geben.
Figur 8 zeigt die fertig montierte Kamera im Querschnitt. Die starre Leiterplatte mit dem Bildsensor dient als Auflagemass für den Bildsensor und wird mit dem Objektivhalterungsteil verschraubt. Die gestapelten Elektronik- Baugruppen werden über die Befestigungsschienen an das Gehäuse geschraubt. Die Schrauben werden von ausserhalb des Gehäuses durch die Gehäusewand an die Schienen verschraubt.
Die Figuren 1 bis 8 mit den dazugehörigen Texten beschreiben die Erfindung detailliert. Die Erfindung wurde gemacht, um folgende Ziele zu erreichen:
• Die intelligente Kamera sollte aus modularen Elektronik-Baugruppen bestehen, die für andere Produkte wiederverwendet werden. Ein Elektronik-Modul kann verschiedene Funktionen beinhalten. Die modulare Bauweise erlaubt diese Erweiterung der Funktionalität für andere Produkte.
• Die Elektronik-Baugruppe, welche den Bildsensor enthält, ist mit einem Starr-Flex Leiterplatte aufgebaut. Dies erleichtert nicht nur die Montage des Bildsensorteils in das Gehäuse, sondern lässt auch die Orientierungswinkel des Bildsensors und somit auch der gesamten Optik offen.
• Die Art, wie die gesamte modulare Elektronik in das Gehäuse montiert wird. Es ist eine einfache und kostensparende Art, die schnell ausgeführt werden kann.