Die Zukunft der Bildverarbeitungsschnittstellen

USB3-Kabel. Quelle: Anil Öztas

Dies ist eine hochauflösende GigE-Kamera. Quelle: Lumenera

Hier ist eine leistungsstarke USB 3.0-Kamera. Quelle: Lumenera

Ethernet Kabel. Quelle: Raysonho @ Open Grid Scheduler/Grid Engine

Angesichts der ständig steigenden Anforderungen an Bildraten, Bittiefen und Auflösung müssen sich Schnittstellenstandards an diese Veränderungen anpassen und neue Möglichkeiten zur Datenübertragung mit höherer Geschwindigkeit und Robustheit bieten. Moderne Schnittstellenstandards wie GigE Vision und USB3 Vision unterstützen die Übertragung von Streaming-Videobildern über allgemein verfügbare Schnittstellen und Kabel und erfordern keine spezielle Ausrüstung wie Framegrabber (kostspielige Teile der Netzwerkinfrastruktur, mit denen Computer Bilder erfassen können). Streaming-Video-Verbindungen). Das Frame-Transfer-Protokoll ist direkt in den Standard integriert, um Kosten und Implementierungskomplexität zu minimieren.

Vor diesem Hintergrund untersucht dieser Artikel den aktuellen Stand und die nahe Zukunft der beliebtesten Bildverarbeitungsschnittstellen, die keinen Framegrabber benötigen.

Der GigE Vision-Schnittstellenstandard gibt es schon länger und ist weiter verbreitet als USB3 Vision. Im aktuellen Zustand ermöglicht die Schnittstelle Durchsatzgeschwindigkeiten von bis zu 115 MB/s über Entfernungen von bis zu 100 Metern mit einem einzigen Kabel. GigE Vision profitiert von der in der Ethernet-Spezifikation vorgesehenen Abwärtskompatibilität, die den Betrieb auf neueren 2,5GBase-T-, 5GBase-T- und 10GBase-T-Infrastrukturen ermöglicht. Die Stromversorgung ist auch über die Power over Ethernet (PoE)-Spezifikation auf kupferbasierten CAT5e/CAT-6a/CAT-7-Kabeln möglich. Die Spezifikation ermöglicht, dass jedes Kabel bis zu 25 W Leistung an die angeschlossene Kamera liefern kann.

Zur Steigerung von Leistung und Geschwindigkeit können zwei Kabel im Tandem verwendet werden, wodurch Durchsatz und Leistungsabgabe effektiv verdoppelt werden. Dies wird durch Link Aggregation (LAG) erreicht, die der GigE Vision-Standard vollständig unterstützt, aber Stabilität ist bei dieser Art von Verbindung nicht einfach zu erreichen. Es unterstützt auch Ethernet-eigene Netzwerkfähigkeiten, um die Integration in bestehende Netzwerke und die Verwendung mit Ethernet-Switches für verschiedene Topologien zu ermöglichen. Auch hier können aufgrund der Art des Protokolls Stabilitätsprobleme in komplexeren Netzwerken auftreten.

Da sich normalerweise alle Kameras in einem Bildverarbeitungssystem im selben Netzwerk befinden, ermöglicht GigE Vision die gleichzeitige Übertragung von Auslösebefehlen an alle Kameras, was eine hohe Synchronität zwischen den Kameras ermöglicht. Darüber hinaus unterstützt GigE Vision die Übertragung mehrerer Datenformate innerhalb des Netzwerks, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: RAW (unkomprimiert), JPEG, JPEG 2000 und H.264.

Die nächsten Schritte für GigE Vision sind derzeit die Implementierung von NBase-T und Zehn-Gigabit-Ethernet. NBase-T ermöglicht die Übertragung von Daten mit der bis zu fünffachen Geschwindigkeit von Gigabit-Ethernet, ohne dass die bereits vorhandene Verkabelungsinfrastruktur aktualisiert werden muss. NBase-T soll als Übergang zwischen Gigabit-Ethernet und Zehn-Gigabit-Ethernet dienen, da nur geringfügige Änderungen an einem bestehenden System erforderlich sind. Sobald ein Benutzer bereit ist, das gesamte System auf 10-Gigabit-Ethernet aufzurüsten, kann er dies auf zwei Arten tun.

Zehn-Gigabit-Ethernet kann entweder kupferbasierte CAT-6a/CAT-7-Kabel mit einer Länge von bis zu 100 Metern oder teurere Singlemode-Glasfaserkabel verwenden, die Entfernungen von bis zu fünf Kilometern überbrücken können. Beide Verkabelungsarten unterstützen Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 1.100 MB/s. Allerdings können die Glasfaserkabel keine Geräte mit Strom versorgen. Dies würde erfordern, dass die Geräte am anderen Ende mit Strom versorgt werden.

Der USB3-Vision-Standard basiert auf den Erfahrungen und dem Fachwissen von GigE Vision sowie anderen Vision-Standards. Derzeit unterstützt der Standard Bilddurchsatzgeschwindigkeiten von 400 MB/s bei Entfernungen deutlich über 100 Metern. Durch eine Kombination aus passiven, aktiven und Glasfaser-Verlängerungskabeln kann USB3 Vision Entfernungen von bis zu 125 Metern erreichen. Die Stromversorgung ist auch bei Verwendung passiver und aktiver Kabel möglich und liefert 4,5 W Strom an die Kamera. Allerdings ist die Kabellänge dann auf etwa 10 Meter bzw. 25 Meter begrenzt. Außerdem verbraucht es für die Datenübertragung ein Drittel des Stroms als die bisherige USB 2.0-Technologie und ist für die Vollduplex-Übertragung geeignet.

USB3 Vision profitiert von Direct Memory Access (DMA), bei dem die Kamera direkt in den RAM des Host-Computers schreibt und die CPU umgeht. Dies wird auch als Zero-Copy-Bildübertragung bezeichnet und trägt wesentlich dazu bei, die CPU-Last auf weniger als ein Prozent zu reduzieren. Der Standard profitiert außerdem vom Plug-and-Play-Charakter von USB und bietet einen einfachen, benutzerfreundlichen Ansatz für die Systemkonfiguration.

Ähnlich wie GigE Vision bietet USB3 Vision auch die Übertragung mehrerer Arten von Bildformaten. Die USB-Spezifikation ermöglicht auch die Verriegelung von Steckverbindern, die für Bildverarbeitungsanwendungen geeignet sind, sowohl auf der Host- als auch auf der Geräteseite des Kabels. Dies stellt eine solide und zuverlässige Verbindung zwischen der Kamera und dem Computergerät in einer industriellen Umgebung sicher und verringert das Risiko einer versehentlichen Unterbrechung der Kommunikation.

Der Standard basiert derzeit auf USB 3.0 (jetzt bekannt als USB 3.1 Gen 1), aber die Entwicklung von USB3 Vision auf USB 3.1 Gen 2 ist im Gange. Die zweite Generation bringt mehr als den doppelten Durchsatz von Gen 1 und ist in der Lage, Geschwindigkeiten von zu erreichen über 1.200 MB/s. Dies wird durch die Änderung des Datenkodierungsschemas von 8b/10b auf 128b/132b erreicht, wodurch der Overhead von 20 % auf nur 3 % reduziert wird. Die Bilddurchsatzgeschwindigkeiten sind noch nicht bekannt, aber man kann davon ausgehen, dass sie mehr als doppelt so hoch sein werden wie derzeit von USB3 Vision.

Mit der zweiten Generation kommt ein neuer Steckertyp namens „Typ C“. Während die aktuellen Typ-A- und Typ-B-Anschlüsse weiterhin mit USB 3.1 Gen 2 funktionieren, werden Typ-C-Anschlüsse USB3 Vision mit erweiterten Stromversorgungsmöglichkeiten ausstatten. Die unterstützte Stromversorgung über diesen Kabeltyp beträgt 100 W und unterstützt Spannungen von 5, 12 und 20 Volt. Es ist auch wichtig zu beachten, dass dem Trend der Typ-A- und Typ-B-Stecker folgend, auch Typ-C-Stecker mit Verriegelungssteckern erhältlich sind.

Typ-C-Kabel unterstützen auch das Thunderbolt 3-Protokoll und machen sie unglaublich vielseitig. Sie werden wahrscheinlich das standardisierte Kabel der Zukunft sein, um Laptops aufzuladen, Peripheriegeräte wie 4K-Monitore und Kameras mit Strom zu versorgen und Daten an sie zu übertragen und mit einer breiten Palette von Unterhaltungselektronik, einschließlich Telefonen und Tablets, zu verbinden.

Es ist deine Entscheidung

USB3 Vision und GigE Vision bieten beide praktikable Lösungen für die Bildverarbeitungsbranche, ohne dass kostspielige und komplexe Framegrabber erforderlich sind. Sie bauen auf Technologien auf, die für Computerplattformen typisch und den Benutzern vertraut sind. Beide Standards basieren auf der Generic Interface for Cameras (GenICam), die die Integration in Systeme mithilfe des Softwarestandards erleichtert.

Bei der Auswahl einer Vision-Schnittstellentechnologie für eine Anwendung, die nicht die extrem hohen Datenübertragungsraten erfordert, die mit hochauflösenden Kameras mit hoher Bildrate verbunden sind, sind GigE Vision und USB3 Vision kostengünstige Alternativen, die eine hervorragende Leistung bieten. Sie halten die Kosten niedrig, indem sie auf Framegrabber verzichten und Standardkabel und Netzwerkgeräte verwenden, die für eine Vielzahl von Branchen im Handel erhältlich sind.

Lumenera Corp. Für weitere Informationen rufen Sie (613) 736-4077 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.lumenera.com.