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GigE-Vision-Multikamerasysteme optimieren

3. August 2022 | Lesezeit: 3 min

Beim Thema Schnittstellen in der industriellen Bildverarbeitung steht eine Vielzahl von geeigneten Möglichkeiten zur Verfügung und die Anwender haben die Qual der Wahl. Dabei hat jede Schnittstelle ihre Vor- und Nachteile.

Der Ethernet-basierte GigE-Vision-Standard gilt nach wie vor als die am häufigsten verwendete Schnittstelle im Bereich Machine Vision. Er bietet eine große Auswahl an kompatiblen Standard-Netzwerkgeräten und ermöglicht eine breite Skalierbarkeit des Gesamtsystems. Dadurch eignet sich GigE Vision besonders gut für Multikamerasysteme.

Die Entwicklung zuverlässiger und leistungsfähiger Bildverarbeitungssysteme mit mehreren Kameras erfordert jedoch in der Regel viel Erfahrung und Aufwand. Die richtige Auswahl der Komponenten für das optimale Systemdesign nimmt viel Zeit in Anspruch. Für ein ausgewogenes Preis-Leistungs-Verhältnis sind mitunter mehrere Entwicklungszyklen mit anwendungsspezifischen Tests nötig.

GigE Vision und seine Grenzen

GigE Vision greift auf eine sehr verbreitete Netzwerktechnologie zurück: Die beiden Protokolle, das GigE Vision Control Protocol (GVCP) und das GigE Vision Streaming Protocol (GVSP), basieren hauptsächlich auf dem User Datagram Protocol (UDP).

Es ermöglicht eine effiziente und latenzarme Datenübertragung, hat aber auch einige Nachteile, die man berücksichtigen muss:

  • Es ist nicht möglich, Daten, die bei der Übertragung verloren gegangen sind, zu erkennen und zu korrigieren.

  • Die richtige Reihenfolge der Datagramme kann nicht zuverlässig gewährleistet werden.

  • Es ist anfällig für Netzwerk- oder Systemüberlastungen.

Die korrekte Reihenfolge und Vollständigkeit der Daten werden durch das GigE-Vision-Protokoll gewährleistet. Beim Streaming werden zu jedem Datenpaket zusätzliche Informationen, sogenannte Metadaten wie z. B. die Bildnummer, zur Verfügung gestellt.

Damit kann der Host überprüfen, ob Datenpakete oder komplette Frames fehlen. Stellt er fest, dass Pakete fehlen, kann er bei der Kamera die erneute Übertragung der fehlenden Pakete anfordern („packet resend request“). Diese Funktion ist zwar sehr nützlich, kann aber die Systemlast vorübergehend erhöhen und damit die Leistung des Gesamtsystems beeinträchtigen.

Systemüberlastung bei Multikamerasystemen mit GigE Vision

In GigE-Vision-Systemen äußert sich eine Systemüberlastung in der Regel durch den Verlust von Datenpaketen. Leider kann der Packet-Resend-Mechanismus einen sich selbst verstärkenden Effekt verursachen: Verlorene Pakete erzeugen Sendeanforderungen, die die Systemlast erhöhen und die Wahrscheinlichkeit von Datenverlusten steigern. Das Ergebnis ist ein fehlerhaftes System mit einer hohen Anzahl verlorener Frames.

Dieses Problem lässt sich vermeiden, wenn beim Systemdesign eine ausreichende Bandbreite für den Datendurchsatz vorgesehen wird. Doch wie viel Bandbreite ist erforderlich? Dies hängt von den jeweiligen Anforderungen, der Systemleistung, dem Durchsatz und der Netzwerktopologie ab.

In der Regel sind ein erheblicher Testaufwand und viel Erfahrung nötig, um ein perfekt abgestimmtes und kostengünstiges System zu erhalten. Systeme mit mehreren Kameras und hohen Durchsatzanforderungen müssen sorgfältig entwickelt werden, um Engpässe und Ausfälle zu vermeiden.

Ethernet Flow Control
Entlastung des Host-Systems

Eine typische Ursache für Paketverluste in überlasteten Systemen ist der Überlauf eines Paketpuffers in einem Netzwerkgerät. Diese Hardware-Puffer befinden sich in Netzwerk-Switches und Netzwerk-Schnittstellenkarten (NICs). Sie können in der Regel nur Millisekunden des vollen Durchsatzes zwischenspeichern, was bedeutet, dass schon ein kleines, vorübergehendes Überlastungsereignis zu Paketverlusten führen kann.

Mit Hilfe der Ethernet-Flow-Control-Funktion, die in den Alvium G1- und Alvium G5-Kameraserien von Allied Vision implementiert ist, lässt sich ein Überlaufen dieser Puffer verhindern. Der Empfänger kann eine Übertragungspause anfordern, wenn er einen fast vollen Puffer feststellt. Die Übertragung wird dann mit dem nächsten Ethernet-Frame für die angeforderte Zeitspanne unterbrochen oder bis der Empfänger eine Aufforderung zur Fortsetzung der Übertragung sendet.

In der Zwischenzeit sammelt der interne Speicher der Kamera, der in der Regel deutlich größer ist als die Puffer der Netzwerkgeräte, die vom Bildsensor übertragenen Daten und hält sie zurück.

Solange der mittlere Durchsatz genügend Kapazität bietet, um den temporären Rückstand aus dem Puffer der Kamera aufzuholen, gewährleisten die Alvium GigE-Kameras eine zuverlässige Datenübertragung und vermeiden Paketverluste im Netzwerk.

Einfache Anwendung

Flow Control ist bei allen Alvium GigE Vision-Kameras standardmäßig aktiviert, und fast alle Netzwerk-Switches und -schnittstellenkarten unterstützen diese Funktion. Der Anwender muss lediglich sicherstellen, dass die Funktion auch auf dem Netzwerkgerät aktiviert ist.

Paketverluste aufgrund von Überlastung sind ein typisches Problem bei GigE-Vision-basierten Bildverarbeitungssystemen mit hohem Durchsatz. Die Ethernet-Flow-Control-Funktion verbessert die Pufferauslastung des gesamten Systems, so dass vorübergehende Überlastungsereignisse besser aufgefangen werden können. So lässt sich die Entwicklung eines zuverlässigen Systems mit hohem Datendurchsatz im Rahmen der technischen, finanziellen und zeitlichen Möglichkeiten wesentlich einfacher und effizienter realisieren.

Autor: Maximilian Poggensee, Product Manager Allied Vision Technologies GmbH

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