kontakt kamery@atesystem.cz
kontakt +420 595 170 472

Komunikační rozhraní ve strojovém vidění

Vytvořil:

Tomáš Gřeš

Při návrhu systému strojového vidění je výběr vhodného komunikačního rozhraní jednou z nejdůležitějších věcí, která ovlivní výkon, spolehlivost a cenu celého systému. Tento článek popisuje výhody a vlastnosti těch nejpoužívanějších.


GigE VisionGigabitový ethernet

Rychlost: 120 MB/s
Délka kabeláže: až 100 m
Standard: GigE Vision

Vlastnosti:

  • Více kamer na jedné síti
  • Standardní rozhraní na všech počítačích
  • Využití standardní síťové infrastruktury (switche, routery, wi-fi)
  • Možnost napájení z rozhraní (PoE – Power over Ethernet)
  • Vyšší zátěž CPU počítače, než u ostatních rozhraní

Gigabitový ethernet je jedno z nejrozšířenějších rozhraní vůbec. Flexibilita připojení a nízká cena kabeláže je ideální pro naprostou většinu aplikací, kde je potřeba použít mnoho kamer při velmi nízkých nákladech. Kamery pro ethernet je možné využít v běžné síťové infrastruktuře, a není problém ani se vzdáleným připojením například přes VPN, nebo přes Wi-Fi.

Pro použití gigabitového ethernetu s kamerami byl vyvinut protokol GigE Vision, díky kterému je komunikace rychlejší a spolehlivější, než s klasickým protokolem TCP používaným pro datovou komunikaci v ethernetu. Navíc, díky standardům GigE Vision a GenICam je možné kombinovat kamery, hardware a software různých výrobců.

Při plánování nasazení gigabitových kamer v systému počítačového vidění je třeba vzít v úvahu několik faktorů. Zaprvé, že komunikace zatěžuje procesor počítače více, než u ostatních rozhraní. Typicky 3 až 8%, pokud je použit ovladač výrobce. Zátěž CPU lze snížit použitím síťové karty se specifickým čipsetem Intel PRO 1000, který většinu komunikace zpracovává již na kartě. Dále, pokud je použito více kamer v síti, je třeba rozdělit jejich datový tok tak, aby nepřekračoval celkovou kapacitu sítě.

Tipy a doporučení:

Pro snížení zátěže CPU počítače a pro bezproblémovou komunikaci se doporučuje použití komunikační karty Intel PRO 1000. Pro tuto kartu mají výrobci speciální ovladač (většinou nazvaný jako „Performance Driver“), který umožňuje využít zpracování komunikace přímo na kartě, a vyčtení dat bez zbytečné zátěže CPU.

Při použití komunikační karty pro sběrnici PCI je třeba vzít v úvahu omezenou propustnost této sběrnice. Prakticky na 80 – 90 MB/s (oproti 120 MB/s u GigE). U některých kamer tak nelze dosáhnout plné snímkové frekvence právě z tohoto důvodu. Doporučuje se použití karty pro PCI Express.

Pro snížení režie komunikace při přenášení velkých objemů dat je doporučováno nastavení velkých rámců tzv. „Jumbo frames“ na kartě i na kameře na co nejvyšší hodnotu.


USB3 VisionUSB 3.0

Rychlost: 350 MB/s
Délka kabeláže: až 5 m (pasivní kabel)
Standard: USB3 Vision

Vlastnosti:

  • USB3.0 je standardní rozhraní na většině počítačů
  • Jednoduché použití - plug & play
  • nízká zátěž CPU, velmi nízká latence
  • Napájení z rozhraní USB
  • Krátká délka kabeláže
  • Obtížnější připojení více kamer k jednomu systému

USB3.0 jako komunikační rozhraní těží z velmi snadného připojení a vysoké propustnosti. Ve srovnání s USB 2.0 je správa komunikace USB3.0 v mnohém vylepšena, takže nabízí vyšší spolehlivost přenosu dat a rapidně nižší zátěž CPU počítače. Většina portů USB3.0 umožňuje použití DMA (Direct Memory Access) pro minimalizaci zátěže procesoru při přenosu velkých objemů dat.

Podobně jako u gigabitového ethernetu, byl i pro USB3.0 vyvinut protokol USB3 Vision, aby bylo možné kamery spolehlivě použít v systémech strojového vidění jako real-time zařízení. Kompatibilita s USB3 Vision a GenICam umožňuje vzájemné připojení systémů a kamer různých výrobců bez nutnosti změny ovladačů, nebo aplikace.

Použití kamer s USB je vhodné i v aplikacích mimo průmyslové prostředí, například v laboratořích, v obchodech, při televizním snímání atd. Slibné je také použití kamer při vysokorychlostním snímání a ve vestavných systémech. Kamery s rozhraním USB3.0 jsou ideální jako náhrada a nástupce kamer s rozhraním USB2.0 a FireWire.


FireWire bFireWire (IEEE1394)

Rychlost: 32 MB/s (IEEE1394a), 64 MB/s (IEEE1394b)
Délka kabeláže: až 4,5 m (s omezením až 10m)
Standard: DCAM

Vlastnosti:

  • Velmi nízká zátěž CPU, velmi nízká latence
  • Napájení z rozhraní IEEE1394
  • Starší rozhraní, již nejsou vyvíjena nová zařízení a kamery pro FireWire
  • Délka kabeláže
  • Pro některé aplikace nedostatečná propustnost

FireWire bylo po mnoho let velmi úspěšným a široce rozšířeným komunikačním rozhraním pro digitální kamery. Ačkoliv zde není univerzální standard pro strojové vidění (jako GigE Vision), přece jen jsou tyto kamery podporovány v mnoha aplikacích zpracování obrazu. Velkou výhodou je také možnost napájení přímo z rozhraní FireWire.

Nicméně, zastoupení tohoto rozhraní v aplikacích v posledních letech klesá, hlavně díky omezené délce kabeláže a nízké komunikační rychlosti. Při plánování  nových projektů se doporučuje použít kamery s rozhraním USB3.0 s podobnými charakteristikami jako FireWire.


Camera LinkCamera Link

Rychlost: existují 3 možné konfigurace:
255 MB/s (Base, 24 bitů na jeden tik, připojení jedním kabelem)
510 MB/s (Medium, 48 bitů na jeden tik, připojení dvěma kabely)
850 MB/s (Full, 85 bitů na jeden tik, připojení dvěma kabely)
Délka kabeláže: až 10 m
Standard: Camera Link

Vlastnosti:

  • Velmi vysoká datová propustnost
  • Dlouho používané a prověřené rozhraní
  • Možnost napájení z kabelu (PoCL – Power over Camera Link)
  • Potřeba speciální komunikační karty
  • Vysoká cena kabeláže a přídavné karty
  • Složitější nastavení komunikace mezi kamerou a komunikační kartou

Robustní komunikační rozhraní Camera Link je určeno pro aplikace, kde je vyžadována extrémně nízká latence a přenos velkých objemů dat, jako jsou například vysokorychlostní kamery, nebo řádkové kamery. Ačkoliv je toto rozhraní používáno již mnoho let, stále je velmi oblíbené pro svou jednoduchost a spolehlivost.

Pro použití rozhraní Camera Link je nutné mít v počítači nainstalovanou kartu s tímto rozhraním (frame grabber). Ve většině případů je výrobce kamery jiný, než výrobce grabberu. Důsledkem toho je, že při konfiguraci parametrů kamery se používá jiný program, než při nastavení způsobu komunikace na straně grabberu. Také SDK pro vývoj aplikací jsou jiná (od obou výrobců). Zatímco kamera se ovládá funkcemi poskytovanými výrobcem kamery, tak obraz se zpracovává funkcemi od dodavatele karty.


CoaXPressCoaXPress

Rychlost: 780 MB/s, možnost agregace linek až na 3 125 MB/s
Délka kabeláže: více než 100 m

Vlastnosti:

  • Velmi vysoká datová propustnost
  • Velmi snadné připojení koaxiálním kabelem
  • Délka a nízká cena kabeláže
  • Napájení z kabelu
  • Potřeba speciální komunikační karty

CoaXPress je označováno jako rozhraní nové generace. Jeho úkolem je dosažení vysoké propustnosti dat bez omezení jako u  Camera Linku. Velkou výhodou je nízká cena kabeláže (obyčejný koaxiální kabel) a její délka (přes sto metrů). Díky propracovanému komunikačnímu protokolu je možné kameru synchronizovat s velmi nízkou latencí. Pokud je potřeba vyšší komunikační rychlost, je možné provést agregaci linek a dosáhnout tak rychlosti přes 3 GB/s.

Pro nové projekty s potřebou vysoké rychlosti snímání je nadále možné použít rozhraní Camera Link, ale doporučuje se zvážit použití rozhraní CoaXPress, pokud je u daného typu kamery k dispozici.

Tabulka srovnání jednotlivých komunikačních rozhraní

 Délka
kabeláže
Maximální
propustnost
Zátěž CPUVíce kamerReal-timePlug
&Play
Cena
rozhraní
Cena
kabeláže
Použití
 

5 m

40 MB/s

>10%

mimo průmysl

 FireWire

4.5 m

64 MB/s

<1%

průmysl i mimo

 GigE Vision

100 m

120 MB/s

<10%

průmysl, ITS

 USB3 Vision

5 m

350 MB/s

<2%

průmysl i mimo

 Camera Link

10 m

850 MB/s

<1%

hi-speed, line-scan

 CoaXPress

100 m+

3125 MB/s

<1%

hi-speed, line-scan

Zdroje

  1. White Paper – Interface Comparison (pdf), www.baslerweb.com, Basler AG
  2. Camera Link na Wikipedii, Wikipedia.org
  3. CoaXPress standard overview (pdf), Coaxpress.com
  4. White Paper – GigE CPU Load and Latency (pdf), www.baslerweb.com, Basler AG
  5. White Paper - USB 3.0 Interface and USB3 Vision Standard (pdf), www.baslerweb.com, Basler AG

 

Logo
Top