Matrox PCI Express - All

Matrox
PCI Express
Bildverarbeitung auf der Überholspur
Mit PCI Express (PCIe) hält ein neues Bussystem unaufhaltsam Einzug in die PC-Industrie. Wie immer wurde
diese Entwicklung getrieben von der Forderung nach höheren Busbandbreiten, reduzierten Kosten und einer
Vereinheitlichung und Vereinfachung des komplexen Datenverkehrs im Host-PC.
RAUSCHER
Johann-G.-Gutenberg-Str. 20 · D -82140 Olching
Telefon 0 8142 / 4 48 41-0 · Fax 0 8142 / 4 90 53
eM ail info @ rauscher.de · www.rauscher.de
Eine kurze Historie
Der zur Zeit noch weit verbreitete PCI-Bus bietet eine maximale Transferleistung von 133 MB/s, die von allen
angeschlossenen Komponenten geteilt werden muss. Hierzu zählen nicht nur PCI-Steckkarten, sondern auch
alle Onboard-Geräte wie Netzwerk, USB, Festplatten-Controller (IDE), die gleichfalls am PCI-Bus angeschlossen sind. Mit AGP (Accelerated Graphics Port) wurde bereits die Grafikkarte als eines der bandbreitenintesivsten Geräte vom PCI-Bus entkoppelt.
AGP leistet heute maximal 2,1 GB/s Datendurchsatz (AGP 8x Konfiguration), allerdings ist bereits das bei
aktuellen Grafikanforderungen gering. Außerdem wird durch AGP die Problematik der Bandbreitenteilung unter
allen PCI-Geräten nur gelindert und keinesfalls gelöst (man denke nur an neue, bandbreitenhungringe
Anwendungen wie Gigabit Ethernet).
PCI Express wurde entwickelt, um die Transferproblematik von PCI zu beheben und gleichzeitig
AGP vollständig zu ersetzen.
Wie funktioniert nun PCI Express und welche Bedeutung hat der Bus für die industrielle und wissenschaftliche
Bildverarbeitung?
Funktionsweise von PCIe
Eine der größten Neuerungen von PCI Express ist, dass die Daten nicht mehr parallel übertragen werden. So
wie im Bereich der Festplatten Serial-ATA das alte Parallel-ATA sukzessive verdrängt, nutzt PCIe eine serielle
Datenübertragung.
Damit ist PCIe kein paralleler Bus mehr (wie PCI und PCI-X), sondern definiert eine serielle Punkt-zu-PunktVerbindung, den sog. Link. Die Datenübertragung innerhalb des Links erfolgt über Lanes, wobei jede Lane
wiederum aus einem Adernpaar für das Senden und einem Adernpaar für das Empfangen von Daten besteht.
Eine einzelne Lane ist damit vollduplexfähig und wird mit 2.5 GHz getaktet. Daraus resultiert aufgrund der 8
Bit/10 Bit Kodierung ein Datentransfervolumen von 250 MB/s pro Lane gleichzeitig in jede Richtung. Höhere
Bandbreiten werden realisiert durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Lanes. So nutzt ein PCIe x4
Steckplatz 4 Lanes und erreicht damit ein maximales Transfervolumen von 1 GB/s, ein PCIe x16 Slot erreicht
4 GB/s und PCIe x32 sogar 8 GB/s in jede Richtung. Zum Vergleich: PCI erlaubt 133 MB/s und PCI-X 1 GB/s
jedoch alles jeweils nur in eine Richtung.
Neben der reinen Steigerung der Bandbreite bietet PCIe weitere Vorteile: durch die flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten von x1 bis x32 lässt sich jedes System genau an die jeweilige Bandbreitenanforderung skalieren.
Die serielle Datenübertragung reduziert die Leitungsanzahl deutlich, was zu einfacheren und kostengünstigeren
Board-Layouts führt. Die 100% Software-Kompatibilität von PCIe zum bekannten PCI-Bus ist eine der größten
Stärken und trägt zur raschen Verbreitung bei: Der PC und das Betriebssystem "sehen" ohne jedes SoftwareUpdate den leistungsfähigeren PCIe-Bus genauso wie den PCI-Bus. Dadurch kann jederzeit ein bestehendes
PCI System zur Steigerung des Datendurchsatzes auf PCI Express umgestellt werden, ohne das SoftwareAnpassungen nötig sind.
Framegrabber für PCI Express
Wie immer ist Matrox up to date mit der aktuellen Entwicklung der PC Technologie, so dass bereits heute alle
Vorteile von PCI Express auch in der Bildverarbeitung nutzbar sind. Mit den Produktfamilien Matrox Morphis,
Matrox Solios, Matrox Helios, Matrox Vio und Matrox Odyssey sind analoge und Camera Link Framegrabber
für jede Bildverarbeitungsanwendung erhältlich.
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Framegrabber für Standardanwendungen
Analoge Standard-Kameras in monochrom und Farbe (Y/C, FBAS) erfasst Matrox Morphis, das Dual-Decoder
Board mit 2 getrennten Analogeinheiten. Mit dem gleichzeitigen Digitalisieren von 2 nicht-synchronisierten
Videoquellen, dem schnellen Kanal-umschalten von bis zu 16 Kameras, User-I/Os und Watchdog-Timer ist der
Framegrabber ideal für eine Vielzahl an Anwendungen in Machine Vision und Videoüberwachung.
Für die speziell in der Medizintechnik immer stärker aufkommenden SDI (Serial Digital Interface) Signale bietet
das Matrox Vio SDI Board eine Lösung. Zusätzlich zur flexiblen Bilderfassung können die Videodaten mit minimaler Latenzzeit synchron zum Dateneingang wieder digital oder analog ausgegeben werden - sogar mit
graphischem Overlay.
Camera Link und Analoge Nicht-Standard Kameras werden unterstützt von den PCIe Varianten der bekannten
Matrox Solios-Serie. Mit bis zu 4 unabhängigen Analog-Eingangskanälen bzw. dem Camera Link Interface in
Medium- oder Dual-Base-Konfiguration werden alle Flächen- und Zeilenkameras sämtlicher Hersteller unterstützt. Besonders interessant auf der Matrox Solios ist der optionale FPGA-Baustein, der online kundenspezifische Verarbeitungsfunktionen durchführt.
Framegrabber für High-End Anwendungen
Die Erfassungseinheiten der High-Speed Boards Matrox Helios und Matrox Odyssey bieten entweder ein
Camera Link Interface in Dual-Base- oder Single-Full-Konfiguration bis 85MHz. Auf den Analog-Varianten
werden mit 4 A/D Wandler bis zu 160MHz Abtastrate erreicht - ausreichend Leistung auch für die
Digitalisierung von VGA-Karten.
Die Boards integrieren einen spezialisierten ASIC, den Pixel-Accelerator. Dieser berechnet bereits onboard
pixelintensive Vorverarbeitungsfunktionen wie z.B. Histogramme, Konvolutionen und morphologische
Operationen. Bei den Vision-Prozessorboards der Matrox Odyssey Serie wird darüber hinaus die gesamte
Bildverarbeitung vollständig auf die Akquisitions- und Verarbeitungs-Hardware ausgelagert. Die OdysseyBoards verfügen neben dem Pixel-Accelerator über einen echten Prozessor (1.3 GHz Motorola Power-PC
CPU) und verarbeiten damit die Bilddaten mit beliebigen, frei programmierbaren Algorithmen - der Host-PC
wird vollständig von der Bildverarbeitung entlastet.
Alle PCI Express Framegrabber sind zu 100% Software-Kompatibel zu den bekannten PCI / PCI-X Boards
— ein Umstieg auf das neue Bussystem erfolgt daher ohne jede Portierung bestehender BildverarbeitungsAnwendungen.
Fazit
Von PCI Express profitieren alle Bildverarbeitungs-Anwendungen: High-End Anwendungen mit schnellen
Kameras und großen Datenmengen nutzen das High-Speed Bussystem zusammen mit Boards wie
Helios oder Odyssey zur schnellen Datenübertragung. Applikationen, die geringere Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit stellen, können ohne Mühe auf moderne PCIe-Plattformen gebracht werden, da
bereits heute kostengünstige Standard-Framegrabber wie Morphis oder Solios mit dem PCI Express Interface
verfügbar sind.
Matrox ist damit der einzige Hersteller, der ein derart vollständiges Spektrum an PCIe Framegrabbern anbietet:
einfache Framegrabber, High-End Framegrabber mit onboard Vorverarbeitung bis hin zu Vision-Prozessorbaords
für höchste Performance und Host-PC Entlastung — das Businterface ist jeweils frei wählbar
PCI, PCI-X oder PCI Express!
RAUSCHER
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Matrox
Bildverarbeitung
Hardware und Software
ein Konzept ohne Kompromisse
■ Framegrabber
■ Vision Prozessorboards
■ Stand-Alone Plattformen
■ intelligente Kameras
und
■ Software
RAUSCHER
Matrox Framegrabber
Matrox ist seit über 30 Jahren der führende und richtungsweisende Entwickler und Hersteller von Hard- und Software für
die Bildverarbeitung.
Die umfangreiche und leistungsfähige Produktpalette wird weltweit erfolgreich eingesetzt in den Bereichen Machine Vision,
Bildanalyse, Medizin und Videoüberwachung.
Framegrabber und Vision Prozessorboards
Matrox Imaging bietet das umfassendste Spektrum an Framegrabbern in jeder Preis- und Leistungsklasse – von Ultra LowCost bis hin zu High-End Vision Prozessorboards.
Über 50 verschiedene Boards und die gemeinsame Softwareschnittstelle MIL unterstützen perfekt alle Flächen- und
Zeilenkameras sämtlicher Hersteller.
Matrox unterstützt nicht nur alle
Videoschnittstellen, sondern bietet
auch Boards für alle PC-Bussysteme
in jeder Leistungsklasse:
Alle Kamera-Interfaces
und Bussysteme
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Analog
Digital
Camera Link
GigE Vision
IEEE 1394 (Firewire)
USB 2.0
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Standard-PCI
64 Bit PCI-X
PCI-Express
PC/104 Plus
Bildverarbeitung onboard
Neben der eigentlichen Bilderfassung
befinden sich auf einigen Boards
spezielle Hardware-Komponenten, die
bereits onboard enorm leistungsfähige
Verarbeitung ausführen. Damit wird der
Host-PC wesentlich bis vollständig
entlastet und der Datenverkehr
reduziert, was bei schnellen, hochauflösenden Kameras oft erforderlich ist.
CODEC❶ für JPEG2000/MPEG4
Kompression/Dekompression in Echtzeit
auf Morphis
FPGA❷ mit vorgefertigten ProcessingFunktionen oder frei programmierbar
auf Solios
PC-Bussystem
PCI (32/64 Bit)
PCI-X
PCI Express (PCIe)
PC/104-Plus
Spezialfeatures
onboard Grafikeinheit
onboard Processing
Helios
Odyssey
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Solios
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Vio SDI
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Corona-II
✔
Meteor-II
Morphis
Kamerainterface
analog
digital (LVDS / RS-422)
Camera Link
SDI
CronosPlus
OASIS❸ Matrox eigener
Pixel-Accelerator für schnellste
Bildverarbeitungs-Funktionen auf
Helios und Odyssey
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POWER PC + OASIS❹
Mit dieser Kombination wird die Odyssey
zu einem enorm leistungsfähigen
Vision-Prozessor, der die Host-CPU
bis zu 100% entlastet.
Der zusätzliche FPGA auf Odyssey Xpro+
erhöht die Leistung nochmals und bietet
weitere kundenspezifische Freiheit.
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Die Matrox Framegrabber beinhalten
Features wie:
Look-up-Tables, Spiegeln der Bilddaten
in X/Y-Richtung, Pixelsortierung bei
Kameras mit mehreren Ausgängen
(Tap-Reconstruction), Trigger- und I/O
Leitungen, serielle Schnittstellen, u.v.m.
Matrox CronosPlus
das Low-Cost Einstiegsboard,
trotzdem mit großer Leistung
Matrox Morphis
mit bis zu 16 Videodecodern,
schneller Kanalumschaltung und
optionalem JPEG2000/MPEG4
Echtzeit-Codec
Matrox Meteor-II
die altbewährten Framegrabber
für analog, digital und
Camera Link
Matrox Vio SDI
Videoerfassung und -ausgabe von
analogen oder SDI-Signalen in
Standard- und High-Definition
Matrox Solios
unsere Standard Analog und
Camera Link Framegrabber
mit optionalem onboard
FPGA Processing
Matrox Odyssey
Schnellste Prozessoren,
großer Arbeitsspeicher,
PCI-X Links sowie die
freie Skalierbarkeit garantieren
die nötige Leistung und Flexibilität
für heutige und künftige Systeme.
Mit Odyssey macht
Bildverarbeitung einfach Spaß!
Matrox Helios
High-Level Framegrabber mit
OASIS Pixel-Accelerator
für schnellste Bildverarbeitung
Matrox Corona-II
das Board für analog und
digital mit Dual-Head Display
CronosPlus
Morphis
Meteor-II/MC
Corona-II
Vio SDI
Solios XA/eA
Helios XA/eA
Odyssey XA/eA
Odyssey Xpro/+
Analog Framegrabber
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6
3
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6
3
30
30
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2
2
2
150
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8
4
4
65
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8
4
4
200
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8
4
4
200
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8
4
4
200
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48
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64
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256
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512
●
1024
❷
❸
❹
❹+❷
im Detail
Kameratypen
Flächenkameras
Zeilenkameras
Kamera-Schnittstellen
Standard Monochrom CCIR, RS-170
Standard Farbe
FBAS, Y/C (PAL, NTSC)
RGB (PAL, NTSC)
Nicht-Standard 1
Anzahl Kameras
max.
simultan synchron (max.)
simultan asynchron (max.)
max. Bandbreite
MHz
Steuersignale (I/O)
Trigger-In
Exposure-Out
Pixelclock In/Out
H- und V-Sync In/Out
User-I/Os
weitere Hardware-Features
Video- und Datenformater
Memory Onboard
MB
Onboard-Prozessoren für Bildverarbeitung
1 Progressive Scan, High Resolution, High Speed, Multitap
4
15
16
16
16
15
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32
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4
❶
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128
❶ CODEC ❷ FPGA ❸ OASIS
❹ POWER PC + OASIS
Meteor-II/CL
Solios XCL/eCL
Helios XCL/eCL
Odyssey XCL/eCL
Odyssey Xpro/+
Camera Link Framegrabber
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2
1
2
1
50
200
85
340
2
1
1
85
680
2
1
1
85
680
2
1
1
85
680
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32
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64
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256
●
512
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1024
❷
❸
❹
❹+❷
im Detail
Kameratypen
Flächenkameras
Zeilenkameras
Camera Link Konfiguration
Anzahl der Eingänge
base
medium
full
max. Pixelclock
max. Erfassungsrate
MB/s
Steuersignale (I/O)
Trigger-In
Exposure-Out
Pixelclock In/Out
H- und V-Sync In/Out
User-I/Os
weitere Hardware-Features
Video- und Datenformater
Memory Onboard
MB
Onboard-Prozessoren für Bildverarbeitung
❷ FPGA ❸ OASIS
❹ POWER PC + OASIS
Digital Framegrabber
SDI SD/HD — LVDS — RS 422
Wie immer setzt Matrox auf neueste Technologien. Ein Beweis hierfür ist Matrox Vio SDI, ein Video I/O Board
insbesondere für Broadcasting und Medizintechnik: Ein Framegrabber zur Video-Erfassung und -Ausgabe von
analogen und SDI Signalen in Standard- und High-Definition. Die Videoausgabe erfolgt mit Grafikoverlay.
Matrox bietet selbstverständlich auch weiterhin Boards mit den klassischen Digitalschnittstellen LVDS und RS-422
in allen verschiedenen Leistungsklassen an.
Standard-Schnittstellen
GigE Vision — IEEE 1394 — USB 2.0
Auch die Standard-Schnittstellen Gigabit Ethernet und Firewire, die keine Erfassungshardware benötigen,
werden von Matrox voll unterstützt.
GigE Vision und IEEE 1394 sind voll in die Matrox Imaging Library (MIL) integriert. Hier kann der volle Funktionsund Leistungsumfang inkl. der komfortablen Programmierung der MIL genutzt werden.
Sogar USB-Kameras, obwohl noch kein Videostandard existiert, lassen sich leicht in die MIL integrieren.
MIL — die einheitliche Software
Trotz der großen Anzahl unterschiedlicher Boards, Video-Interfaces und Schnittstellen bietet Matrox mit der
Matrox Imaging Library (MIL) eine Software mit einheitlicher API.
Mit MIL und der umfangreichen Matrox Hardware lösen Sie alle Aufgaben – von der einfachen Bilderfassung
bis hin zu komplexen Echtzeit Bildverarbeitungs-Applikationen.
Matrox MIL
Die Matrox Imaging Library (MIL) ist eine umfangreiche und leistungsstarke
Softwarebibliothek, die weltweit für alle Aufgaben in Bildverarbeitung,
Bildanalyse und Videoüberwachung eingesetzt wird.
MIL bietet eine einheitliche Programmierschnittstelle (API) für die gesamte
Matrox Hardware. Unabhängig ob Framegrabber, Vision-Prozessorboard,
Embedded-PC oder Intelligente Kamera — die Programmierung erfolgt
immer mit MIL. Damit kann ein einmal erstellter Code ohne jede Portierung
auf einer beliebigen Hardware-Plattform eingesetzt werden.
MIL und MIL-Lite sind optimiert auf die unterschiedlichsten HardwarePlattformen, unterstützt werden die Betriebssysteme Windows 2000,
Windows XP und Linux.
Alle MIL-Funktionen sind in voneinander unabhängige Module zusammengefasst — dies ergibt eine flexible und kostengünstige Runtime-Lizenzierung.
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einheitliche API
höchste Performance
immer state-of-the-art
Nutzung aller Ressourcen
modularer Aufbau
günstige Runtime-Lizenzierung
MIL — weltweit ein voller Erfolg
Matrox Hard- und Software — ein Konzept ohne Kompromisse
Ihre Applikation
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Processing Module von MIL
Geometric
Model Finder
Edge Finder
Image
Processing
Pattern Matching
NGC
Blob
Analysis
OCR / OCV
Gauging
Measurement
Bar- und
Datamatrix Code
String Reader
Metrology
Compression /
Decompression
Calibration
Registration
zukünftige
Module
Display Control
Graphics Control
Thread Control
Steuer- und Kontroll-Module von MIL / MIL-Lite
Application Control
Data Control
Digitizer Control
einheitliche API
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IEEE 1394
GigE Vision
USB
Hardware Interfaces
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Matrox Hardware
Framegrabber
Board-Level Treiber
Vision
Prozessorboards
Stand-Alone
Plattform
intelligente
Kamera
Fremdhersteller
Bildverarbeitung ohne Programmieren
Matrox Inspector ist ein benutzerfreundliches, interaktives Windows-Programm
und umfasst den vollen Funktionsumfang von MIL.
In der komfortablen Windows-Umgebung lassen sich verschiedenste Aufgaben der
Bildanalyse und Bildauswertung einfach umsetzen und schnell automatisieren.
MIL-Anwender nutzen Inspector als hilfreiches Werkzeug für die Evaluierung
eigener Algorithmen und verkürzen damit wertvolle Entwicklungszeit.
Intelligente
Kameras
Die Matrox Iris ist eine intelligente Kamera und bietet
trotzdem die volle Flexibilität PC-basierter Systeme —
sie ist eine perfekte Kombination moderner Sensor-,
Verarbeitungs- und Software-Technologien.
Mit einem großen Spektrum an unterschiedlichen Sensoren
lassen sich alle Bildverarbeitungsaufgaben von
High-Speed (bis zu 90 Vollbilder/s) bis hin zu
High-Resolution (bis zu 1280x1024 Pixel) realisieren.
Da alle Modelle zusätzlich auch mit abgesetztem Kopf verfügbar sind,
lässt sich die Matrox Iris auch in engste Platzverhältnisse integrieren.
Die Matrox Iris P-Serie wird frei programmiert in C oder C++ mit Hilfe der MIL.
Eigene Anwendungen werden wie gewöhnlich auf einem Standard Windows-PC
kompiliert, dann über Netzwerk zur Iris übertragen und dort ausgeführt.
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zahlreiche Sensoren
Echtzeit-Betriebssystem Windows CE .NET
frei programmierbar in C/C++
mächtige Softwareunterstützung mit MIL
optional: Remote-Head Ausführung
Stand-Alone Plattform
Trotz aller Vorzüge einer intelligenten
Kamera gibt es Anwendungen und
Anforderungen, für die das Konzept
einer Smart Camera nicht die erste
Wahl ist — z.B.:
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Multi-Kameras
Zeilenkameras
schnellste Prozessoren
verteilte Anwendungen
Einbeziehung anderer Sensoren
oder Prüfgeräte
In solchen Fällen finden Embedded PCs ihren Einsatz, wenn gleichzeitig eine
kompakte, hochintegrierte, robuste und kostengünstige Lösung gefordert ist.
Matrox 4Sight M ist ein vollwertiger, netzwerkfähiger Embedded PC.
Mit den Grab-Modulen Meteor-II und Morphis bietet es Anschlussmöglichkeiten
für alle Flächen- und Zeilenkameras mit analoger, digitaler, IEEE 1394 und
Camera Link Schnittstelle.
Direkt anschließen lassen sich Kameras mit USB 2.0 und GigE Vision Interface.
Matrox Nexis — das Kamera-Subsystem mit abgesetzten Kameraköpfen für
4Sight M bietet eine optimale Integration von Progressive Scan Kameras mit
Auflösungen von VGA bis SXGA und Frameraten bis zu 90 Bilder/s.
4Sight M vereint eine kompakte, robuste und hochintegrierte Bauweise
mit flexiblen Anschlussmöglichkeiten und ist damit die ideale Plattform
für alle Anwendungen in Bildverarbeitung und Videoüberwachung.
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