Interfaces de caméras de vision : les dernières avancées technologiques

Bien choisir l’interface de votre caméra est crucial pour le bon fonctionnement de votre système de vision, qu’il soit basé sur PC ou embarqué. En effet, avec des capteurs CMOS de plus en plus performants et des vitesses d'inspection toujours plus élevées, les quantités de données transmises de la caméra au processeur ne cessent de croître.

Ainsi, des paramètres tels que la largeur de bande requise pour l’application et la distance de transmission des données prennent une importance capitale, de même que la précision du déclenchement et la latence du système.

Au cours de ces dernières années, un grand nombre d’interfaces ont été développées pour s’adapter au secteur de la vision industrielle : CameraLink, CameraLink HS, GigE Vision, USB3 Vision et CoaXPress (cf tableau 1).

Tableau 1 : paramètres de performance d’une interface de caméra

Interface Débit de données max. Longueur de câble (cuivre) max. Carte d‘acquisition
GigE Vision 115 MB/s 100 m Non
CameraLink Up to 850 MB/s 4m-10m* Oui
USB3 Vision 3-400 MB/s 3-5 m Non
CameraLink HS 2100/3300 MB/s 15 m Oui
CXP-6 625 MB/s 40 m Oui
CXP-6 x4 2500 MB/s 40 m Oui
CXP-12 x4 7200 MB/s 25 m Oui

*dépend de la configuration et de la vitesse d’horloge

Elles s’appuient toutes sur la norme GenICam : cette interface de programmation générique facilite la mise en œuvre des applications de vision grâce à la technologie plug & play. Chaque interface exige cependant l'utilisation de câbles spécifiques, de connecteurs et d'autres composants particuliers qui font partie intégrante de la structure du système de vision. Il peut donc s’avérer difficile et coûteux de modifier l'infrastructure une fois que l’interface a été choisie et installée.

Les plateformes GigE Vision (2,5GigE, 5GigE et 10GigE) et CoaXPress (CXP 2.0) ont cependant récemment bénéficié de belles avancées technologiques qui leur permettent d’améliorer les performances des systèmes sans que ces derniers ne subissent de modifications majeures.

Pour les applications de vision embarquées, l'USB3 reste l’interface la plus utilisée aux côtés des interfaces rentables MIPI CSI-2, au succès croissant.

Miser sur GigE Vision

Le standard GigE Vision est géré par l'association professionnelle AIA. Il permet d'utiliser des câbles Ethernet, des connecteurs, des commutateurs et d'autres composants déjà en place et peu coûteux. Il transmet des données d'image sur des distances allant jusqu'à 100 mètres à l'aide de câbles en cuivre. Avec des commutateurs ou des adaptateurs en fibre optique, la distance de transmission peut même aller au-delà.

Le Gigabit Ethernet offre également la possibilité de créer différentes topologies de réseaux complexes et différents modèles de mise en œuvre. Il est notamment possible de créer un « réseau » de contrôle, divisé en différents sous-réseaux, tous contrôlés par un seul poste de travail (cf image 1).

image 1

image 2

Une autre option consiste à utiliser les structures de réseau existantes pour transmettre des données à distance vers un nombre quelconque de postes de travail. Chaque caméra peut être localisée de façon indépendante dans un réseau via son adresse IP ; elle peut donc être visualisée et contrôlée depuis n'importe quel PC du réseau (image 2).

La connectivité multidiffusion ouvre la voie à des solutions évolutives où les données d'image peuvent être transmises simultanément à plusieurs PC. GigE Vision 2.1 utilise également le protocole IEEE 1588 (Precision Time Protocol) qui permet d’obtenir une meilleure synchronisation en temps réel des systèmes multi-caméras. Grâce à une fonction de transmission en plusieurs parties, il parvient également à transmettre des structures de données plus complexes, comme pour la vision 3D ou pour toute application ayant besoin d'une structure de données à 3 coordonnées.

Si le GigE Vision offre une flexibilité incontestable, sa largeur de bande maximum de 115 MB/s est restée un facteur limitant pour certaines applications. Certains fabricants de caméras ont proposé des solutions pour élargir la bande passante : des configurations de câblage parallèle (LAG) par exemple ou des approches logicielles propriétaires.

**Mais la réelle amélioration est venue grâce à la technologie NBASE-T. Il s’agit d’une technologie de NBASE-T Alliance qui fonctionne comme extension de la norme Ethernet IEEE 802.3. Elle propose différents formats qui permettent chacun d’accélérer la vitesse de transmission des données : 2,5 Gbit/s avec 2,5BASE-T (2,5GigE), 5 Gbit/s avec 5BASE-T (5GigE) et 10 Gbit/s avec 10BASE-T (10GigE) (cf tableau 2).

Tableau 2 : performances de l’interface NBASE-T

Interface Débit de données max. Longueur de câble (Cat5e) max. Longueur de câble (Cat6a / Cat7) max.
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

Comme la pile de réseau Ethernet est divisée en plusieurs couches différentes, isolées les unes des autres, les fabricants de caméras ont pu créer des solutions d'interface 2,5GigE, 5GigE et 10GigE qui communiquent en utilisant la norme GigE Vision. La technologie est ainsi à l'épreuve du temps.

Pratiquement tout PC moderne peut être mis à niveau pour ces normes en utilisant une carte d'interface réseau (et un pilote) relativement bon marché, le logiciel compatible avec la norme GigE Vision étant également compatible avec NBASE-T.

Avec des câbles Cat 5e, la distance de transmission maximale est de 100 mètres pour 2,5GigE et 5GigE, et de 55 mètres pour 10GigE. Les câbles Cat 6a et Cat 7 au contraire permettent une transmission de 100 m pour les 3 plateformes, ou nettement plus si l'on utilise la fibre optique.

À noter que l'utilisation de 10GigE à pleine vitesse sur un câble en cuivre peut générer beaucoup de chaleur (les puces 10GigE sont très énergivores) : il faudra le prendre en compte lors de la configuration du système si la pleine vitesse de l'interface est requise.

Pour aller plus vite avec CoaXPress

Si l'introduction de la technologie NBASE-T a considérablement augmenté la largeur de bande des systèmes GigE Vision, de nombreuses applications exigent cependant d’aller encore plus vite. Pour cela, il existe la norme CoaXPress, administrée par la Japan Industrial Imaging Association. Elle permet de transmettre les données sur de longues distances, avec une bande passante bien plus large que GigE Vision et avec un câble coaxial, très répandu dans les applications industrielles, médicales et de défense.

CoaXPress est une norme de communication série asymétrique à haut débit, point à point, qui a besoin d’une carte d'acquisition. Elle est extensible sur un ou plusieurs câbles coaxiaux.

Un seul câble peut transmettre jusqu'à 6,25 Gbit/s de la caméra à la carte d'acquisition sur des distances allant jusqu'à 40 mètres, ce qui équivaut à environ 5 ou 6 fois la largeur de bande GigE standard et dépasse même le 5GigE. Ce débit peut être porté à 25 Gbit/s en utilisant 4 câbles parallèles, ou voies (cf image 3).

image 3

Toutefois, en 2019, le CXP 2.0 a été lancé et a doublé les performances des voies par rapport au CXP 1.1, offrant jusqu'à 12 Gbit/s en utilisant une seule voie (CXP-12) et 50 Gbit/s pour un système à 4 voies (cf tableau 3).

Tableau 3 : exemples de distances de transmission CXP 2.0

Interface Débit de données max. Longueur de câble (cuivre) max. Carte d‘acquisition
CXP-12 1250 MB/s 30 m Oui
CXP-6 625 MB/s 60 m Oui
CXP-12 x 4 5000 MB/s 30 m Oui
CXP-6 x 4 2500 MB/s 60 m Oui

Pour les applications nécessitant une bande passante plus rapide que 10GigE et de longues distances de transmission, l’interface CoaXPress CXP 2.0 est idéale : elle commence là où 10GigE finit. L’interface CXP 2.0 apporte d’autres avantages : des taux de déclenchement plus élevés, des câbles plus longs, une amélioration du partage des documents, ainsi qu'une augmentation de la fiabilité et du reporting.

L’interface CXP 1.1 utilise des connecteurs BNC ou DIN 1.0/2.3, tandis que CXP 2.0 nécessite des connecteurs micro BNC. Les caméras CXP 1.1 et CXP 2.0 sont toutes deux compatibles avec les cartes d'acquisition CXP 1.1 et CXP 2.0, mais les performances du CXP 2.0 ne sont possibles que si la carte d'acquisition et la caméra sont toutes deux compatibles avec la norme.

La transmission des données, le contrôle, le déclenchement en temps réel et l'alimentation électrique passent tous par le même câble. Le CXP 2.0 introduit également une variété de fonctions, notamment la diffusion simultanée des données à plusieurs hôtes ou la connexion de 4 caméras à une seule carte d'acquisition.

La distance de transmission de 40 mètres est portée à 60 mètres pour le CXP 2.0, fonctionnant avec une bande passante de 6,25 Gbit/s normalement associée au CXP 1.1.

Interfaces MIPI et CSI - Systèmes embarqués

Pour les systèmes de vision embarqués, la largeur de bande est tout aussi importante que pour les systèmes PC. Cependant, les distances de transmission sont en général beaucoup moins problématiques, car le capteur et le processeur sont souvent étroitement couplés. Comme les solutions de vision embarquées impliquent généralement des coûts de développement élevés, elles sont mieux adaptées aux applications à grand volume où les coûts des composants peuvent être maintenus à un faible niveau et les coûts de développement répartis sur différentes unités.

Les deux interfaces caméra de transmission de données les plus utilisées dans les systèmes embarqués sont MIPI CSI-2 et USB 3.1. MIPI CSI-2 est une spécification de l'alliance MIPI (Mobile Industry Processor Interface, une organisation mondiale au service des industries qui développent des appareils mobiles et influencés par la mobilité). Elle est largement utilisée dans les appareils mobiles tels que les téléphones intelligents et les tablettes pour connecter le capteur au processeur.

Elle ne fait cependant pas partie d'une interface standard de vision industrielle. De nombreux processeurs embarqués comprennent une interface physique directe avec la caméra MIPI. Le protocole CSI-2 contient des couches de transport et d'application et supporte nativement D-PHY et C-PHY. Le CSI-2 D-PHY offre jusqu'à 2,5 gigabits par seconde et par voie. Avec 4 voies, il offre jusqu'à 10 Gbit/s, contre 5 Gbit/s pour l'USB 3.0/3.1.

D'autres facteurs tels que l'effort d'intégration requis et la charge sur l'hôte (cf tableau 4) sont également importants pour les applications embarquées.

L'interface MIPI CSI-2 est de plus en plus présente sur les processeurs embarqués. Elle équipe également aussi bien les caméras cartes et que les caméras dans un boîtier.

Tableau 4 : interfaces pour la vision embarquée

  CSI-2 D-PHY USB3 Vision GigE Vision
Bande passante La plus élévée Elevée Moyenne
Longueur de câble 0.6 m max. 8.0 m max. 100 m max.
Contrôle Difficile Facile Facile
Charge CPU sur l’hôte Faible Moyenne Elevée
Disponibilité sur cartes de processeur embarquées Forte Moyenne Moyenne
Logiciel Complexe Facile Facile
Coût Faible Moyenne Moyenne
Taille Très petite Petite Moyenne

A suivre…

Alors que la capacité à améliorer les systèmes de vision en conservant l'infrastructure existante est essentielle pour maintenir les coûts à un bas niveau, l’existence d’interfaces telles que NBASE-T et CXP 2.0 prend de plus en plus d’importance.

Le consortium technologique Ethernet, créé pour élaborer des normes Ethernet à 25 Gbit/s et plus, a mis au point une spécification de correction d'erreur directe à faible latence (FEC) pour les réseaux Ethernet à 50 Gbit/s, 100 Gbit/s et 200 Gbit/s.

Celle-ci pourrait éventuellement ouvrir la voie à des systèmes de vision GigE à bande passante plus large. Pour les systèmes embarqués, la prise en charge de la couche de transport GenICam pour le MIPI CSI-2 est bientôt disponible, ce qui rendra l'intégration de ces modules processeur-caméra à faible coût plus facile à développer. Cela aura également un effet positif sur le délai de commercialisation des applications embarquées de vision. En outre, la spécification USB4 a été publiée fin 2019, mais ni interfaces ni caméras ne sont à ce jour disponibles.

Interfaces et logiciel d’acquisition d’image

Depuis son lancement en 1997, Common Vision Blox de STEMMER IMAGING a pour objectif principal d’offrir une API simple et unique, fonctionnant avec tout dispositif d'acquisition, acceptant de multiples interfaces et fabricants.

Nous avons adopté la standardisation en participant directement à l'élaboration de normes telles que GenICam, GigE Vision et USB3 Vision, standards que nous prenons toujours en compte dans le développement des moteurs d'acquisition de notre plateforme indépendante.

Basé sur une architecture claire et une modularité cohérente, Common Vision Blox permet à tout moment de changer de hardware d’acquisition ainsi que de technologie, sans être dépendant d’un fabricant spécifique. Le modèle parfaitement conçu pour l'acquisition d'images et la structure du pilote permettent de découpler l'algorithme de l'acquisition d'images.

Produits adaptés aux interfaces actuelles