Datenübertragungs-Standards für die industrielle Bildverarbeitung

Der CameraLink-Standard war der erste Datenübertragungs-Standard, der speziell für Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung entwickelt wurde. Seitdem gab es gerade in jüngster Vergangenheit eine Reihe weiterer Neuentwicklungen. Mark Williamson, Sales & Marketing Director der britischen Niederlassung von STEMMER IMAGING, beschreibt die gegenwärtig verfügbaren Technologien und betrachtet sie im Kontext der unterschiedlichen Aufgabenstellungen, um dem Anwender die Wahl der passenden Technologie für seine spezifische Bildverarbeitungs-Anwendung zu erleichtern.

Die Bildverarbeitungs-Industrie hat in der Vergangenheit etliche Übertragungsmethoden aus der Computerwelt übernommen, darunter die Standards IEEE 1394/Firewire (mit FireWire A und FireWire B) sowie USB und USB 2.0. Mit CameraLink unternahmen die Bildverarbeiter ihren ersten eigenen Standardisierungsversuch und definierten damit die Hardware-Schnittstelle zwischen Kamera und Host. Dieses System bietet ein standardisiertes Datenformat sowie standardisierte Stecker, Kabel und Steuersignale. In der "Full"-Konfiguration, der leistungsfähigsten Ausbaustufe des Standards, stellt CameraLink heutzutage nach wie vor eine der schnellsten Möglichkeiten der Datenübertragung in der Bildverarbeitung dar. Allerdings ist die Übertragung der Daten auf eine maximale Kabellänge von 10 Metern begrenzt, sofern keine Verstärker oder Glasfaserkabel eingesetzt werden.

Obwohl CameraLink für die Bildverarbeitungs-Industrie einen Durchbruch markierte, deckt dieser Standard nicht alle notwendigen Bereiche ab. So wurde der Software-Aspekt nicht ausreichend berücksichtigt, da mit dieser Schnittstelle lediglich die serielle Kommunikation definiert, die Funktionalität der Kamera jedoch völlig außer Acht gelassen wurde. CameraLink ist ein perfektes Beispiel für die vier wesentlichen Kernelemente von Datenübertragungs-Standards: Sie umfassen folgende Aspekte:

• Übertragungsgeschwindigkeit
• Art und Kosten der Kabel und Stecker
• Übertragungslängen und
• Standardisierung und Austauschbarkeit (Plug & Play) von Kameras

Angesichts der zunehmenden Zahl von Kameras mit immer höherer Auflösung und der Weiterentwicklung von Hochgeschwindigkeits-Kameras, die Bildraten von bis zu 10.000 Bildern pro Sekunde erreichen, kann die Übertragungsgeschwindigkeit ein entscheidender Faktor sein. Die Standardisierung von Kabeln und Steckern ist zweifellos ein guter Ansatz. Beschränkt sich ihr Einsatz jedoch auf die Bildverarbeitungs-Industrie, so erfordert dies eine spezielle Leitungsführung in der Fabrikumgebung, um das Bildverarbeitungs-System integrieren zu können. Datenübertragungs-Standards, die Standardkabel verwenden, können in preislicher Hinsicht attraktiv sein. Die Kamera wird natürlich an der Stelle platziert, wo die jeweilige optische Prüfung stattfindet; Der auswertende Bildverarbeitungs-Rechner ist unter Umständen jedoch in einiger Entfernung von der Kamera-Position installiert, so dass die Übertragungslänge ein kritischer Punkt sein kann.

Diese Anforderung zählt übrigens zu den Antriebsfaktoren, die hinter der Entwicklung intelligenter Kameras stehen. Der Bildverarbeitungs-Prozessor ist bei dieser Produktkategorie direkt in der Kamera integriert, wodurch eine Übertragung der Daten zur Weiterverarbeitung und Analyse nicht mehr erforderlich ist. Allerdings sind nicht alle Anwendungen mit intelligenten Kameras lösbar. Wenn mehr als eine Kamera dieselbe Verarbeitungsfunktion ausführen soll, können diese so genannten Smart-Kameras zudem im Vergleich zum PC-basierten System die teurere Option darstellen, da das Potential der einzelnen Kamera meist nicht komplett ausgeschöpft wird, wohl aber bezahlt werden muss.

Letztendlich ist auch die Austauschbarkeit der Kameras von Bedeutung, um auf wechselnde Anforderungen der Applikation reagieren zu können. Beim Auftreten von Fehlern kann es ebenfalls sehr hilfreich sein, lediglich die Kamera ersetzen zu müssen, ohne dabei zwingend eine Kamera desselben Herstellers verwenden zu müssen. In diesen Fällen erleichtert der CameraLink-Standard seinen Anwendern das Leben erheblich.

GigE Vision

Eine weitere bedeutende Entwicklung für Anwender und Hersteller von Bildverarbeitungs-Systemen gleichermaßen markierte die Ankündigung der Standards GigE Vision und GenICam im Jahr 2006. Diese neuen Lösungswege ermöglichten die Verwendung von Serienkomponenten und standardisierten Protokollen sowie eine verbesserte Software- und Hardware-Kompatibilität. Die Verwendung dieser Standards erlaubt mit Hilfe der Ethernet-Technologie eine reibungslose Kommunikation zwischen Hardware und Software unterschiedlicher Hersteller sowie einen schnellen und kostengünstigen Datenaustausch über lange Distanzen. Die Bandbreite üblicher Netzwerkverbindungen reicht dabei aus, um den hohen Anforderungen vieler Bildverarbeitungs-Anwendungen gerecht zu werden. GigE Vision verwendet Standard-Ethernetkabel (CAT 5e oder CAT6), ist jedoch langsamer als CameraLink. Ein wesentlicher Vorzug des GigE Vision-Standards liegt in der erreichbaren Kabellänge: Er ermöglicht die Datenübertragung über Strecken von bis zu 100 Metern, bei Verwendung von Glasfaser-Kabeln sogar über viele Kilometer hinweg. GigE Vision definiert die Kommunikation zwischen Kamera und PC, ohne die Funktionalität der Kamera festzuschreiben.

GenICam bietet eine generische Programmierschnittstelle für alle Kamera-Typen, so dass die API-Schnittstelle ungeachtet der verwendeten Schnittstellentechnologie oder der implementierten Funktionen immer dieselbe sein sollte. Obwohl GenICam ursprünglich für GigE Vision entwickelt worden war, wurde ihr Einsatzbereich mit dem neuen GenTL- oder Transport-Layer-Interface nun auch auf andere Schnittstellen erweitert. Der Einsatz von GenICam mit den Schnittstellentechnologien CameraLink, Firewire und USB wurde auf der letzten Bildverarbeitungs-Fachmesse VISION in Stuttgart in Beispielanwendungen gezeigt. GigE Vision und GenICam haben in Bezug auf Erschwinglichkeit und Implementierung von Bildverarbeitungs-Systemen in der Industrie sowie hinsichtlich der Austauschbarkeit von Hardware dramatische Veränderungen mit sich gebracht.

Drei Standards für die Zukunft

Technologie kennt selbstverständlich keinen Stillstand: In den vergangenen Monaten sind drei neue Lösungsansätze bekannt geworden. So hat der deutsche Kamera-Hersteller Allied Vision Technologies die Link Aggregation (LAG)-Technologie dazu eingesetzt, um die Geschwindigkeit von GigE Vision bei seiner Kamera-Reihe Prosilica GX zu verdoppeln. LAG oder IEEE 802.3ad steht für eine Netzwerktechnologie, mit der die Parallelschaltung mehrerer Ethernet-Ports möglich wird. Die Leitungsgeschwindigkeit kann somit über die Grenzen eines einzelnen Ports hinaus erhöht werden. Wenn eine Kamera der GX-Serie über zwei Kabel an einen Host-Rechner angeschlossen ist, so wird dies vom Computer als nur eine Verbindung mit doppelter Normalgeschwindigkeit angesehen.

Die neuesten Übertragungstechniken in der Bildverarbeitung heißen HSLink und CoaXPress. HSLink wurde vom kanadischen Hersteller DALSA entwickelt. Diese Technologie transportiert Bilddaten, Konfigurationsdaten und Echtzeittriggersignale mit einem Jitter im Nanosekundenbereich über eine einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die Kameras, zwischengeschaltete Geräte und Frame Grabber unterstützt. HSLink verbindet die Kernstärken der CameraLink-Schnittstelle mit neuen Besonderheiten und Funktionen. Mit dieser Technik ist eine skalierbare Bandbreite von 300 bis 6000 MByte/s in Schritten von 300 MByte/s erzielbar. Sie verwendet dabei allgemein erhältliche Mehraderkabel und Standardkomponenten.

CoaXPress war der Gewinner des Innovationspreises für angewandte Bildverarbeitung anlässlich der VISION im November 2009. Diese Technik wurde von einem Konsortium entwickelt, zu dem Adimec Advanced Imaging sowie Active Silicon und CEI gehören, beides Lieferanten von STEMMER IMAGING. CoaXPress ist in der Lage, mit einem einzigen Standard-Koaxkabel die Daten von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Kommunikations- und Steuerdaten sowie Strom zu übertragen. Im Vergleich zu GigE Vision ermöglicht CoaXPress dabei höhere Bildraten und Kabellängen über 100 Meter hinaus. CoaXPress arbeitet mit einem Hochgeschwindigkeits-Downlink von bis zu 6, 25 GBit/s pro Kabel für Videos, Bilder und Daten sowie einem Uplink mit geringerer Übertragungsgeschwindigkeit von 20 MBit/s für Kommunikation und Steuerung. Der Jitter des Schnittstelle liegt im Mikrosekundenbereich. Die Spezifikation und das gesamte zugehörige Material wurde vor Kurzem an die Japanese Industrial Imaging Association übergeben, um die Standardisierung voranzutreiben und zu organisieren mit dem Ziel, die Spezifikation als öffentlichen Standard zu verabschieden.

Zusätzlich zu diesen neuen Technologien für die Bildverarbeitung hat die PC-Industrie bereits die USB-Weiterentwicklung USB 3.0 angekündigt. Dieser Standard bietet die zehnfache Übertragungsgeschwindigkeit des Vorgängers USB 2.0 und wird somit noch attraktiver für den EInsatz in der Bildverarbeitung.

Angesichts der zunehmenden Auswahl an Optionen, die sowohl Endanwendern als auch Herstellern von Bildverarbeitungs-Systemen zur Verfügung stehen, empfiehlt es sich, den Rat unabhängiger, erfahrener Lieferanten einzuholen. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass für die vorliegende Applikation die jeweils bestmögliche Auswahl des Bildverarbeitungs-Systems und der eingesetzten Schnittstelle getroffen wird. In Anbetracht der aktuellen Entwicklung des GenICam-Standards sehen wir dabei leistungsfähige Möglichkeiten, diese neuen Techniken über eine geeignete Plug & Play-Schnittstelle zu kontrollieren und somit anwenderfreundliche Architekturen zu realisieren.

Autor: Mark Williamson, STEMMER IMAGING Ltd.