Vermeiden Sie kostspielige Fehltritte bei der Auswahl einer Bildverarbeitungsschnittstelle – jetzt und in Zukunft

Bildverarbeitungsschnittstellen werden in dunklen Fabriken eine wichtige Rolle spielen und enorme Mengen an Bilddaten sowie Maschine-zu-Maschine-Kommunikation übertragen.

Eine Bildverarbeitungsschnittstelle verbindet eine Kamera mit einem Computer und überträgt Bilddaten zur Verarbeitung und Analyse. Was Sie wählen, wird sich langfristig auf Ihre Anwendung, Ihre Systemkomponentenoptionen und Ihre Ergebnisse auswirken.

Bildverarbeitungsschnittstellen haben sich im Laufe der Jahre dramatisch verändert, und eine völlig andere Zukunft zeichnet sich ab. Wenn Sie jetzt die falsche Schnittstelle auswählen, erhalten Sie möglicherweise ein teures Bildverarbeitungssystem, das nicht zuverlässig die von Ihnen benötigte Leistung erbringen kann. Heute gibt es fünf primäre Bildverarbeitungsschnittstellen: Camera Link, GigE Vision, CoaXPress, Camera Link HS und USB3 Vision. 10GigE, was der zehnfachen Bandbreite von GigE Vision entspricht, und zuletzt 5GigE sind neue Schnittstellen, die gerade entstanden sind. Derzeit in der Entwicklung sind die neueste Version von CoaXPress, CXP-12, sowie weitere GigE Vision-Standards, 25GigE und 50GigE.

Jede Schnittstelle bietet bestimmte Funktionen: GigE Vision ermöglicht große Kabellängen bei geringen Kosten; Camera Link ist für seine Zuverlässigkeit und Datenintegrität bekannt. CoaXPress bietet hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten; Camera Link HS verfügt über eine hohe Bandbreite und Zuverlässigkeit; und USB3 Vision verfügt über kostengünstige Kabel mit hoher Bandbreite.

Die Auswahl einer Bildverarbeitungsschnittstelle stellt eine langfristige Investition dar und ist immer anwendungsspezifisch. Hier sind einige Überlegungen, die Ihnen helfen sollen, kostspielige Fehltritte zu vermeiden.

Die erste und möglicherweise wichtigste Überlegung besteht darin, die spezifischen Bedürfnisse und Anforderungen Ihrer Anwendung mit den Fähigkeiten der betrachteten Schnittstellen in Einklang zu bringen.

Die Entwicklung der Schnittstellen für die maschinelle Bildverarbeitung wurde hauptsächlich durch den ständigen Bedarf an höheren Bandbreiten vorangetrieben, um Bildverarbeitungssysteme mit höheren Auflösungen und schnelleren Bildraten zu unterstützen. Die Auflösung, gemessen in Pixel, und die Geschwindigkeit, gemessen in Bildern pro Sekunde, sind die wichtigsten technischen Überlegungen bei Ihrem Auswahlprozess.

Die Bandbreite bestimmt im Wesentlichen, wie viele Bilddaten mit welcher Geschwindigkeit ohne Datenverlust übertragen werden können. Es ist von entscheidender Bedeutung, eine Schnittstelle mit ausreichend Bandbreite für Ihre Anforderungen auszuwählen. Wenn die Schnittstelle beispielsweise nicht schnell genug oder breit genug ist, um Ihre Bildrate und Auflösung zu verarbeiten, kann eine Signal- und Datenverschlechterung die Bildqualität verzerren und sogar die Bildaufnahme unmöglich machen. Sie müssen die Funktionen der Schnittstelle an die Ergebnisse anpassen, die Sie erzielen möchten.

Oft steht eine Kamera im Mittelpunkt der Forschung. Das mag logisch erscheinen, kann aber ein kostspieliger Fehltritt sein. Die Schnittstelle muss in der Lage sein, die technischen Möglichkeiten der Kamera zu realisieren, und Sie entscheiden sich möglicherweise für eine Kamera, stellen dann aber fest, dass die Schnittstelle für Sie nicht funktioniert.

Heute gibt es fünf primäre Bildverarbeitungsschnittstellen.

Die Schnittstelle bestimmt die Datenübertragungsrate vom Ausgang der Kamera zu Ihrem Host und ist genauso wichtig wie Ihre Kameraauswahl. Wenn Sie einen hochmodernen Sensor mit ultrahoher Auflösung in Betracht ziehen oder einfach wissen, dass Ihre Anwendung die größtmögliche Auflösung erfordert, ist es besonders wichtig, diese technischen Anforderungen zu berücksichtigen, indem Sie zunächst über eine Schnittstelle nachdenken, sonst erhalten Sie diese nicht die hochauflösenden Ergebnisse, die Sie benötigen.

Die Kabellänge ist ein weiterer wichtiger technischer Gesichtspunkt. Längere Kabellängen werden von Bildverarbeitungsbenutzern häufig gewünscht, aber die Bandbreite einiger Schnittstellen lässt lange Kabel einfach nicht zu.

USB3 Vision beispielsweise ist eine der beliebtesten Bildverarbeitungsschnittstellen in den USA. Es verfügt über eine Bandbreite von 350 MB/s – schnell genug, um hohe Bildraten und hohe Auflösungen für einige der modernsten Kameras von heute zu verarbeiten. USB3 Vision-Kabel, die sich von herkömmlichen USB3-Kabeln unterscheiden, sind ohne teuren Framegrabber zu günstigen Preisen erhältlich.

Wie alle Bildverarbeitungsschnittstellen bietet USB3 Vision eine Reihe von Vorteilen, aber auch einige Nachteile, abhängig von den Anforderungen Ihrer Anwendung.

GigE-Kabel sind lang, erschwinglich und leicht verfügbar, aber weniger deterministisch.

Die Kabel haben eine maximale Länge von drei Metern. In manchen Grundrissen ist der Bedarf an langen Kabeln nicht verhandelbar, und manchmal müssen Bildverarbeitungssysteme vor Maschinen geschützt werden, was die Verwendung des USB3-Vision-Standards in beiden Fällen schwierig macht. Diese Kabel können manchmal auch empfindlich auf Lärm und Vibrationen reagieren, was sie für raue Umgebungen ungeeignet machen kann. Obwohl es technische Möglichkeiten gibt, die Länge dieser Kabel zu verlängern, ist dies äußerst anspruchsvoll und liefert möglicherweise nicht die erwarteten Ergebnisse.

Der GigE Vision-Standard und der Camera Link-Standard wurden etwa zur gleichen Zeit veröffentlicht und bieten ein hervorragendes Beispiel für die Bewertung von Kompromissen. Technisch gesehen könnten sie in den meisten der gleichen Anwendungen eingesetzt werden, allerdings müssen in einigen Szenarien ihre unterschiedlichen Leistungs- und Kostenkompromisse berücksichtigt werden.

GigE ist eine der beliebtesten Schnittstellen in den USA und verfügt über kostengünstige Anschlüsse und Kabel, die eine Länge von 120 Metern oder mehr erreichen können. Sie sind mit einer Bandbreite von etwa 125 MB/s problemlos verfügbar, ohne dass ein Framegrabber erforderlich ist. GigE bietet viele Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die geringen Kosten, hat aber auch Nachteile. Es ist anfällig für PC-Unterbrechungen, da der Computer, mit dem es verbunden ist, Programme im Hintergrund ausführt, was zu Fehlern bei der Datenübertragung führt. Während GigE-Software über Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturfunktionen verfügt, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen zuverlässig genug machen, erfordern Ihre speziellen Anforderungen möglicherweise etwas Deterministischeres.

USB3 Vision-Kabel bieten eine hohe Bandbreite bei geringen Kosten, aber kurze Kabellängen und Vibrationsempfindlichkeit.

Camera Link hingegen ist eine stark deterministische Schnittstelle. Alle Schnittstellen verlieren einige Daten, aber Camera Link verliert diese Daten auf sehr vorhersehbare Weise, was es zu einer zuverlässigen Vision-Schnittstelle macht. Aber wie bei GigE Vision gibt es bei der Verwendung von Camera Link Kompromisse. Das liegt vor allem daran, dass die Kabel teuer sind – die Produktionsmengen waren nie hoch genug, um die Preise zu drücken. Außerdem erfordern Camera Link-Schnittstellen einen Framegrabber, was zusätzliche Kosten verursacht.

Jede Schnittstelle kann eine großartige Lösung sein, sie ist jedoch nicht austauschbar. Während sich Bildverarbeitungsschnittstellen ständig verbessern, ist es wichtig, ihre individuellen Kompromisse in aktuellen Versionen zu bewerten, um die beste Schnittstelle für Ihre Anwendung und Ihr Budget zu finden.

Neue Vision-Schnittstellen bieten möglicherweise die richtige Lösung für Ihre Anwendung, da sie darauf abzielen, alle Probleme zu lösen, die in früheren Vision-Standards aufgetreten sind.

10GigE beispielsweise ist eine relativ neue Schnittstelle mit der zehnfachen Bandbreite von normalem GigE, es gelten jedoch weiterhin die gleichen Kabel- und Konnektivitätsspezifikationen. Typischerweise wird 10GigE für extrem hochauflösende oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Virtual Reality – mittlerweile Teil der Machbarkeitsstudie in der Fertigungstechnik – oder Sportübertragungen verwendet.

5GigE, das dem ursprünglichen GigE-Standard folgt, ist eine noch neuere Entwicklung. Oftmals ist 10GigE zu viel Bandbreite für typische Bildverarbeitungsanwendungen; Daher wurde 5GigE für den industriellen Einsatz entwickelt. Mit einer etwas höheren Bandbreite als USB3 und einer erschwinglichen NIC-Karte ist 5GigE heute eine der leistungsstärksten Bildverarbeitungsschnittstellen.

Eingebettete Bildverarbeitungssysteme, bei denen Bilderfassungs- und Verarbeitungsfunktionen in ein größeres System mit einem anderen Zweck eingebettet sind, sind eine bahnbrechende Technologie mit großem Wachstumspotenzial. Diese Systeme benötigen aus Designgründen kleine, einfache Schnittstellen. Heute ist die ursprünglich für mobile Geräte gedachte MIPI-Schnittstelle die Standardschnittstelle in diesen Szenarien. Obwohl eingebettete Systeme etwas neu sind, ermöglichen sie neben unzähligen anderen Spitzentechnologien alles, von selbstfahrenden Autos bis hin zu Augmented Reality und intelligenten medizinischen Geräten.

Schnittstellen entwickeln sich ständig weiter und die neuesten Lösungen bieten in der Regel aufregende neue Möglichkeiten.

Wie bereits erwähnt, hat die Investition in eine Bildverarbeitungsschnittstelle Auswirkungen auf die Zukunft Ihres Systems. Es ist wichtig, im Auge zu behalten, wie sich Schnittstellen auf die Technologielandschaft für Bildverarbeitungsanwendungen auswirken.

CXP-6 und CXP-12 sind die nächste Generation der CoaXPress-Standards, die derzeit entwickelt werden. Sie verfügen über Bandbreiten von 2,5 GB/s bzw. 5 GB/s. Ebenfalls in der Entwicklung sind 25GigE- und 50GigE-Vision-Standards mit 3,1 GB/s bzw. 5 GB/s. Während einige näher an der Realität sind als andere, wird jede dieser zukünftigen Schnittstellen eine drastisch erhöhte Bandbreite ermöglichen.

Extreme Bandbreitenniveaus werden ganze Branchen verändern. Beispielsweise könnten Fabriken der Zukunft „dunkle“ Fabriken sein, in denen sich keine Menschen aufhalten. Das mag weit hergeholt klingen, aber es gibt derzeit dunkle Fabriken in der Entwicklung, und es gibt weltweit einige Beispiele für landwirtschaftliche Betriebe, die mit wenigen oder gar keinen menschlichen Arbeitskräften betrieben werden.

Für eine Automatisierung dieser Größenordnung müssen Bildverarbeitungssysteme Mobilität, Flexibilität und intelligente Entscheidungsfindung in Echtzeit in einer dynamischen Umgebung ermöglichen. Dies erfordert die Übertragung und Verarbeitung enormer Mengen an Bilddaten, einschließlich der Kommunikation zwischen Maschinen, wodurch eine große Verantwortung für die Übertragung all dieser Informationen auf Schnittstellen mit extrem hoher Bandbreite entsteht.

Die Vermeidung kostspieliger Fehltritte bei der Auswahl Ihrer Bildverarbeitungsschnittstelle beginnt mit einem klaren Verständnis der Anforderungen Ihrer Anwendung und der Ergebnisse, die Sie benötigen, und zwar nicht nur heute, sondern auch im Hinblick auf die erwartete Weiterentwicklung Ihres Unternehmens. Informieren Sie sich über Ihre Optionen und wählen Sie die Schnittstelle aus, bevor Sie sich für eine Kamera entscheiden, damit Ihr Bildverarbeitungssystem langfristig die Produktivität und Qualität liefern kann, die Sie benötigen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.V&S

Rusty Ponce de Leon ist Präsident von Phase 1 Technology Corp. Weitere Informationen erhalten Sie unter der Rufnummer (888) 434-2390 oder unter www.phase1vision.com. Um tiefer in dieses Thema einzusteigen, lesen Sie das kostenlose E-Book „Optimierung von Bildverarbeitungssystemen: Wie hochwertige Bildverarbeitungskabel die Bildverarbeitungsleistung maximieren“.