Schnittstellen für die industrielle Bildverarbeitung

Die Wahl der Kameraschnittstelle ist sowohl in PC-basierten Bildverarbeitungssystemen als auch in Embedded-Vision-Lösungen ein entscheidender Gesichtspunkt. CMOS-Sensoren mit ständig steigenden Auflösungen und immer schnellere Prüfgeschwindigkeiten erfordern die Übertragung großer Datenmengen zwischen Kamera und Prozessor.

Die für eine Anwendung benötigte Bandbreite und die Übertragungsstrecke sind entscheidende Anforderungen, obwohl auch andere Faktoren wie Triggergenauigkeit und Latenzzeit in einem System von Bedeutung sind.

Im Laufe der Zeit wurde eine Reihe von Hardwareschnittstellen zur Datenübertragung speziell für den Bereich der industriellen Bildverarbeitung entwickelt, darunter CameraLink, CameraLink HS, GigE Vision, USB3 Vision, CoaXPress (Tabelle 1).

Tabelle 1: Kameraschnittstellen und ihre Leistungsmerkmale

Schnittstelle Max. Datendurchsatz Max. Kabellänge (Kupfer) Frame Grabber
GigE Vision 115 MB/s 100 m Nein
CameraLink Up to 850 MB/s 4m-10m* Ja
USB3 Vision 3-400 MB/s 3-5 m Nein
CameraLink HS 2100/3300 MB/s 15 m Ja
CXP-6 625 MB/s 40 m Ja
CXP-6 x4 2500 MB/s 40 m Ja
CXP-12 x4 7200 MB/s 25 m Ja

*abhängig von Konfiguration und Taktfrequenz

Sie alle basieren auf dem GenICam-Standard und stellen generische Softwareschnittstellen bereit, die vollständige Plug-and-Play-Funktionalität für Bildverarbeitungsanwendungen ermöglichen. Jeder Standard erfordert die Verwendung bestimmter Kabel, Steckverbinder und anderer Komponenten, die integraler Bestandteil eines Bildverarbeitungssystems sind.

Ein Wechsel der Schnittstelle kann schwierig und kostspielig sein. Jüngste Entwicklungen mit GigE Vision (2,5GigE, 5GigE und 10GigE) und CoaXPress (CXP 2.0) ermöglichen daher Leistungssteigerungen ohne größere Systemänderungen.

Für Embedded-Vision-Anwendungen wurde bisher hauptsächlich USB3 Vision verwendet, wobei sich die kostengünstigen und baukleinen MIPI CSI-2-Schnittstellen immer mehr durchsetzen.

Auf GigE Vision bauen

Der GigE-Vision-Standard wird vom Fachverband AIA koordiniert. Er ermöglicht die Verwendung von günstigen Ethernet-Kabeln, Steckverbindern, Switches und anderen Komponenten zur Übertragung von Bilddaten über Entfernungen von bis zu 100 Metern mit Kupferkabeln bzw. längeren Strecken mit Switches oder Glasfaseradaptern.

Gigabit Ethernet erweitert die Möglichkeiten für verschiedene Implementierungen und komplexe Netzwerktopologien. Dazu gehören Inspektionsnetzwerke, die in verschiedene Zonen aufgeteilt sind. Jede davon kann eine spezielle Funktion erfüllen, jedoch werden alle von einer einzelnen Workstation angesteuert (Abb. 1).

Abbildung 1

Abbildung 2

Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung existenter Netzwerkinfrastrukturen, um Daten von entfernten Standorten auf eine beliebige Zahl unterschiedlicher Workstations zu übertragen. Da jede Kamera in einem Netzwerk über ihre eigene IP-Adresse unabhängig lokalisiert wird, kann sie von jedem PC im Netzwerk eingesehen, gesteuert und überwacht werden (Abb. 2).

Die Multicast-Fähigkeit eröffnet neue Möglichkeiten für skalierbare Lösungen, bei denen Daten gleichzeitig an mehrere PCs übertragen werden. GigE Vision 2.1 ermöglicht neben einer verbesserten Echtzeitsynchronisation von Multikamerasystemen, die das IEEE 1588 Precision Time Protocoll verwenden, auch die Übertragung komplexerer Datenstrukturen, wie sie in der 3D-Bildverarbeitung verwendet werden oder auch in Anwendungen, die von einer 3-Koordinaten-Datenstruktur profitieren.

Während GigE Vision zweifellos Flexibilität bietet, war die maximale Bandbreite von 115 MB/s für einige Anwendungen bisher ein limitierender Faktor. Einzelne Kamerahersteller haben eine erhöhte Bandbreite auf der Grundlage von parallelen Kabelkonfigurationen (LAG) oder eigenen Softwarelösungen bereitgestellt, jedoch hat die Einführung der NBASE-T-Technologie die Bandbreite innerhalb des GigE-Vision-Frameworks deutlich erhöht.

Die NBASE-T-Technologie von NBASE-T Alliance™, ist eine Erweiterung des IEEE 802.3-Ethernet-Standards und erhöht die Übertragungsgeschwindigkeit auf bis zu 2,5, 5 und 10 Gbit/s für 2,5BASE-T (2,5GigE), 5BASE-T (5GigE) bzw. 10BASE-T (10GigE) (Tabelle 2).

Tabelle 2: Leistungsmerkmale der NBASE-T-Schnittstelle

Schnittstelle Max. Datendurchsatz Max. Kabellänge (Cat5e) Max. Kabellänge (Cat6a/Cat 7)
GigE Vision 115 MB/s 100 m 100 m
2.5GigE 250 MB/s 100 m 100 m
5GigE 570 MB/s 100 m 100 m
10GigE 1100 MB/s 55 m 100 m

Da der Ethernet-Stack in eine Reihe verschiedener, voneinander isolierter Schichten unterteilt ist, konnten Kamerahersteller 2,5GigE-, 5GigE- und 10GigE-Schnittstellenlösungen schaffen, die über den GigE-Vision-Standard kommunizieren, was die Zukunftssicherheit dieser Technologie gewährleistet.

Praktisch jeder moderne PC kann mit einer relativ kostengünstigen Netzwerkkarte (und Treiber) für diese Standards aufgerüstet werden, wobei die GigE-Vision-konforme Software auch mit NBASE-T kompatibel ist.

Mit Cat-5e-Kabel sind Datenübertragungsstrecken von 100 m bei 2,5GigE und 5GigE und 55 m bei 10GigE möglich. Cat-6a- und Cat-7-Kabel ermöglichen eine Übertragung von 100 m für alle drei Plattformen bzw. wesentlich größere Distanzen bei Verwendung von Glasfaseradaptern und -konfigurationen.

Da die Verwendung von 10GigE bei voller Geschwindigkeit über Kupferkabel wegen des hohen Stromverbrauchs von 10GigE-Chipsätzen viel Wärme erzeugen kann, müssen andere Herausforderungen auf Systemebene berücksichtigt werden, wenn die volle Schnittstellengeschwindigkeit benötigt wird.

Mit CoaXPress auf Geschwindigkeit getrimmt

Die Einführung der NBASE-T-Technologie hat die Bandbreite für GigE-Vision-Systeme zwar deutlich erhöht, jedoch erfordern viele Anwendungen noch mehr. Für diejenigen, die zudem lange Datenübertragungsstrecken benötigen, bietet der CoaXPress-Standard, der von der Japan Industrial Imaging Association koordiniert wird, eine erheblich größere Bandbreite. Dabei kommen Koaxialkabel zum Einsatz, die in industriellen, medizinischen und militärischen Anwendungen weit verbreitet sind.

CoaXPress ist ein asymmetrischer Highspeed-Standard für die serielle Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, der einen Frame Grabber erfordert und über ein oder mehrere Koaxialkabel skalierbar ist.

Über ein einzelnes Kabel können bis zu 6,25 Gbit/s von der Kamera zum Frame Grabber über Entfernungen von bis zu 40 Meter übertragen werden, was bezüglich der Bilddaten in etwa der 5- bis 6-fachen GigE-Bandbreite entspricht und sogar 5GigE übersteigt.

Figure 3

Diese kann durch die Verwendung von vier parallelen Kabeln oder Lanes nochmals auf 25 Gbit/s erhöht werden (Abb. 3). Seit 2019 gibt es jedoch CXP 2.0, womit sich die Leistung der Lanes im Vergleich zu CXP 1.1 effektiv verdoppelt und bis zu 12 Gbit/s bei Verwendung einer einzelnen Lane (CXP-12) und 50 Gbit/s bei einem System mit vier Lanes erreicht werden (Tabelle 3).

Tabelle 3: Übertragungsstrecken von CXP 2.0 (Beispiele)

Schnittstelle Max. Datendurchsatz Max. Kabellänge (Kupfer) Frame Grabber
CXP-12 1250 MB/s 30 m Ja
CXP-6 625 MB/s 60 m Ja
CXP-12 x 4 5000 MB/s 30 m Ja
CXP-6 x 4 2500 MB/s 60 m Ja

Für Anwendungen, die eine höhere Bandbreite als 10GigE mit langen Übertragungsstrecken erfordern, beginnt CXP 2.0 dort, wo 10GigE aufhört. CXP 2.0 bringt auch höhere Triggerraten und Verbesserungen bezüglich Kabellänge, gemeinsamer Datennutzung sowie Zuverlässigkeit und Protokollierung.

CXP 1.1 verwendet BNC- oder DIN 1.0/2.3-Stecker, während CXP-2.0 Mikro-BNC-Stecker erfordert. CXP-2.0-Kameras sind zwar mit CXP-1.1- Frame Grabbern kompatibel, die volle Leistung von CXP 2.0 ist aber nur dann erreichbar, wenn beide Komponenten CXP 2.0 unterstützen.

Daten, Steuerung, Echtzeit-Trigger und Stromversorgung – alles wird über dasselbe Kabel bereitgestellt. CXP 2.0 führt auch eine Reihe operativer Technologien ein, darunter die gleichzeitige Datenübertragung an mehr als einen Host und die Anbindung von bis zu vier Kameras an einen einzigen Frame Grabber.

Die Übertragungsdistanz von 40 Meter wird bei CXP 2.0 auf 60 Meter erweitert, wenn anstatt 12 Gbit/s die halbe Bandbreite von 6,25 Gbit/s verwendet wird.

MIPI- und CSI-Schnittstellen - Embedded-Systeme

Bei Embedded-Bildverarbeitungssystemen ist die Bandbreite genauso wichtig wie bei PC-Systemen. Allerdings sind kürzere Übertragungsstrecken üblich, da Sensor und Prozessor meist dicht beieinander liegen. Da Embedded-Lösungen in der Regel mit hohen Entwicklungskosten verbunden sind, eignen sie sich am besten für Anwendungen mit hohen Stückzahlen, bei denen die Komponentenkosten niedrig gehalten werden können und sich die Entwicklungskosten auf viele Einheiten verteilen.

Die beiden in Embedded-Systemen am häufigsten verwendeten Schnittstellen sind MIPI CSI-2 und USB 3.1. MIPI CSI-2 ist eine Spezifikation der Mobile Industry Processor Interface (MIPI) Alliance (eine internationale Organisation, die Schnittstellenspezifikationen für mobile und mobil beeinflusste Industrien entwickelt) und wird in großem Umfang in mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets verwendet, um den Sensor mit dem Prozessor zu verbinden, ist aber nicht Teil einer Standardschnittstelle für die industrielle Bildverarbeitung.

Viele Embedded-Prozessoren verfügen über eine direkte physikalische MIPI-Kameraschnittstelle. Das CSI-2-Protokoll enthält Transport- und Anwendungsschichten und bietet native Unterstützung für D-PHY und C-PHY. CSI-2 D-PHY ermöglicht bis zu 2,5 Gbit/s pro Lane mit vier Lanes bis zu 10 Gbit/s im Vergleich zu 5 Gbit/s bei USB 3.0/3.1.

Andere Faktoren wie der erforderliche Integrationsaufwand und die Belastung der Host-CPU (Tabelle 4) sind bei Embedded-Anwendungen ebenfalls wichtig.

Die Verfügbarkeit der MIPI CSI-2-Schnittstelle auf Embedded-Prozessorboards wird ständig erweitert. Es sind sowohl Platinen- als auch Gehäusekameras mit MIPI CSI-2-Schnittstelle erhältlich.

Tabelle 4: Schnittstellen für Embedded Vision

  CSI-2 D-PHY USB3 Vision GigE Vision
Bandbreite Höchste Hoch Mittel
Kabellänge Bis zu 0,6 m Bis zu 8,0 m Bis zu 100 m
Steuerung Schwierig Einfach Einfach
Belastung der Host-CPU Niedrig Mittel Hoch
Verfügbarkeit auf Embedded-Prozessorboards Hoch Mittel Mittel
Software Komplex Einfach Einfach
Kosten Niedrig Mittel Mittel
Größe Sehr klein Klein Mittel

Kontinuierliche Entwicklung

Mit dem Ansatz Bildverarbeitungssysteme auf Grundlage der vorhandenen Infrastruktur weiterzuentwickeln, lassen sich Kosten reduzieren. Dabei spielt die Verfügbarkeit von NBASE-T- und CXP-2.0-Schnittstellen eine große Rolle.

Das Ethernet Technology Consortium, das zur Entwicklung von Ethernet-Spezifikationen für 25 Gbit/s und schnelleres Ethernet gegründet wurde, hat eine FEC-Spezifikation (Low-Latency Forward Error Correction) für Ethernet-Netzwerke mit 50 Gbit/s, 100 Gbit/s und 200 Gbit/s entwickelt, die schließlich den Weg für GigE Vision-Systeme mit höherer Bandbreite ebnen könnte.

Für Embedded-Systeme rückt die GenICam-Transport-Layer-Unterstützung für MIPI CSI-2 in greifbare Nähe, so dass die Integration dieser kostengünstigsten Prozessor-Kamera-Module einfacher zu realisieren ist und sich positiv auf die Markteinführungszeit für Embedded-Vision-Anwendungen auswirken wird. Darüber hinaus wurde die USB4-Spezifikation Ende 2019 veröffentlicht, allerdings sind bisher weder Schnittstellen noch Kameras verfügbar.

Schnittstellen und Bilderfassungssoftware

Seit der Einführung im Jahr 1997 war eine schnittstellen- und herstellerunabhängige Bilderfassung das Herzstück der Bildverarbeitungs-Programmierbibliothek Common Vision Blox von STEMMER IMAGING. Als aktives Mitglied in allen maßgeblichen Standardisierungsgremien war und ist STEMMER IMAGING an der Definition von Standards wie GenICam, GigE Vision und USB3 Vision beteiligt und hat alle Standards umgehend in der Software berücksichtigt.

Basierend auf einer klaren Architektur und durchgängigen Modularität ermöglicht Common Vision Blox jederzeit einen herstellerunabhängigen Austausch der Erfassungshardware und -technologie. Das perfekt konzipierte Modell für die Bilderfassung und die Treiberstruktur ermöglicht eine komplette Entkopplung der Algorithmik von der Bildaufnahme.

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