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Zehn Fragen über Bildverarbeitung mit USB3.0

Seit vor zwei Jahren die weltweit ersten USB3.0-Kameras auf den Markt gebracht wurden, kamen zahllose Fragen über die Bildverarbeitung mittels USB3.0 auf. Aus diesem Grund hat Point Grey hier die zehn häufigsten Kundenfragen zusammengefasst und beantwortet.

1.) Wie hoch ist die Bandbreite von USB3.0 wirklich?

Die bei der Bulk-Transfer-Methode effektiv verfügbare Bandbreite beträgt ungefähr 440MByte/s. Dies ist ungefähr 10x mehr als bei USB2.0 und 5x mehr als bei 1394b. Die in der Praxis verfügbare USB3.0-Bandbreite ist abhängig vom USB3.0-Chipsatz, neueste Releases wie z.B. FL1100 von Fresco sowie µPD720202 von Renesas ermöglichen höchste Frame Raten. Die Grasshopper3 GS3-U3-41C6 Kamera verwendet den CMV4000 Sensor von Cmosis und ist in der Lage, eine Datenübertragung von 380MB/s bei einer Auflösung von 2.048×2.048 bei 90FPS zu erzielen.

2.) Reicht die Verlässlichkeit von USB3.0 für industrielle Anwendungen?

Es gibt mehrere Gründe, warum USB3.0 sich für anspruchsvolle industrielle Anwendungen eignet:

• • Kabelverriegelung: Als Teil der USB3-Vision-Spezifikation wurde ein verschraubbarer Micro-B-Anschluss festgelegt, wodurch die Verlässlichkeit von USB3.0-Kameras in industriellen Umgebungen erhöht wird.
• • Verfügbarkeit von High-Flex-Kabeln: Mit der Entstehung von diversen USB-3.0 Bildverarbeitungsprodukten, haben Kabelhersteller High-Flex-Kabel mit einer Länge von bis zu 3m auf dem Markt gebracht.
• • Framebuffer: Der fehlende Framebuffer in USB2.0-Kameras schränkte die Kameras hinsichtlich der Anzahl wiederholter Übertragungen von Datenpaketen ein. Viele USB3.0-Kameras verfügen über Framebuffer-Technologie für verbesserte Datenkommunikation und reduzierter Korruption von Bildern, z.B. haben die Grasshopper3-USB3.0-Kameras standardmäßig einen 128MB-Framebuffer.

3.) Ist USB3.0 wirklich kostengünstiger als andere Schnittstellen?

Um zu sehen, wie Kosteneinsparungen entstehen, finden Sie in Tabelle 1 einen Vergleich der Kosten zwischen Schnittstellen für ein System mit einer bzw. vier Kameras. Das Ergebnis zeigt, dass USB3.0 bei beiden Konfigurationen die geringsten Kosten verursacht. Alle Preise sind öffentlich verfügbar und wurden, soweit möglich, von einer einzigen Quelle beschafft (Hinweis: Die Kosten der Kamera sind in diesem Vergleich nicht enthalten).

4.) Was sind die Systemvoraussetzungen?

Ein USB3.0-fähiges Visionssystem besteht aus vielen Komponenten: von Kameras über Kabel, Hubs, Karten und PCs bis zu Software. Jedes mal, wenn man so viele Einzelteile miteinander kombiniert, können Probleme mit der Kompatibilität auftreten. Point Grey hat Tests durchgeführt und einen Anwendungshinweis mit empfohlenen USB3.0-Systemkomponenten mit dem Ziel, eine optimale Verarbeitungsleistung und volle PCIe 2.0-Geschwindigkeit zu erzielen, zusammengestellt. Tabelle 1 listet und vergleicht: Kabel, Hubs, Betriebssysteme, Motherboard, CPU und Chipsetkombinationen sowie USB3.0 xHCI HostßController und Treiberkombinationen. (weitere Infos unter www.ptgrey.com/USB3)

5.) Wie viele Kameras kann ich maximal an einen einzelnen USB3.0-Bus anschließen?

Die theoretische Anzahl an Geräten in einem Netzwerk beträgt 255 Einheiten, in der Praxis wird die Anzahl an Geräten jedoch vom Host-Controller und der Verarbeitungszeit des Hostsystems bestimmt. Die derzeit verfügbaren Host-Controller unterstützen bis zu ca. 30 Geräte (Hubs werden als Gerät gezählt).

6.) Welche Kabellänge unterstützt USB3.0 und wie kann diese verlängert werden?

Die maximale Kabellänge ist im USB3.0-Standard nicht explizit festgelegt. Der Standard beschreibt allerdings das Verhältnis von Kabeldurchmesser zu maximaler Kabellänge, um die Anforderungen bezüglich USB3.0-Spannungsabfall und Dämpfung zu erfüllen, z.B. kann ein Kabel bis zu 3m lang sein und immer noch die USB3.0-Spezifikation einhalten. Die gängigsten USB3.0-Kabel am Markt sind Kabel mit einer Länge von 0,3 bis 1,8m, wobei einige Anbieter Kabel bis zu 10m Länge anbieten. Aktive Kabel werden üblicherweise in Längen ab 5m angeboten. Diese werden häufig mit einem passiven Kabel kombiniert, um die Gesamtabstände der Kamera zu vergrößern. Zur Steigerung der Abstände kann ein Hub benutzt werden, um die Kabellänge in einem System mit mehreren Kameras zu vergrößern. Es können Glasfaser-Extender benutzt werden, um die Kabellängen mit Glasfaserkabel anstatt Kupferkabel zu vergrößern. Damit kann der Abstand auf über 50m vergrößert werden.

7.) Wie ist die CPU-Auslastung im Vergleich zu anderen Schnittstellen?

Im Allgemeinen ist die CPU-Auslastung geringer als bei USB2.0 und GigE und ähnlich wie bei FireWire. In einem Streaming-Test generierten zwei an eine einzelne Point Grey USB3.0 PCI Express Host-Adapterkarte (U3-PCIE2-2P01) angeschlossene Flea3-USB3.0-Kameras erfolgreich insgesamt mehr als 280MByte/s an Bilddaten. Die Bilder wurden verarbeitet und auf einem Monitor dargestellt. Der Intel-i7-PC, auf dem der Test durchgeführt wurde, lief unter Windows 7 und die CPU-Auslastung lag zwischen 1% und 2%.

8.) Ist eine USB3-Vision-Kompatibilität zwischen einer Kamera und der Software anderer Anbieter gegeben?

Ja, die AIA hat im Januar 2013 den USB3-Vision-Standard veröffentlicht. Seitdem hat National Instruments Support für den Imaqdx Treiber, der mit LabView verwendet wird, verkündet. Währenddessen hat Point Grey Firmware Support für den Fle3 FL3-U3-13S2 ermöglicht. Die Plug&Play-Kompatibilität zwischen der Flea3-USB3-Vision-Kameras und NI LabView zeigt, dass der Schnittstellenstandard nun Realität ist.

9.) Sind 10Gbps bald Realität?

In Juli 2013 hat die USB-IF (USB 3.0 Fördergruppe) die Verfügbarkeit der USB3.1-Spezifikation verkündet. Die neue USB3.1-Spezifikation soll eine Datenübertragung bis zu 10Gbps sowie eine Stromlieferung bis zu 100W ermöglichen. Die USB3.1-Kontrollerspezifikation wird die Rückwärts-Kompatibilität mit bestehenden Steckverbindern und Kabeln gewährleisten. Es gibt noch keinen definitiven Zeitrahmen für die Einführung von USB3.1, aber es wird erwartet, dass die ersten Geräte Ende 2014 auf dem Markt erscheinen.

10.) Ist USB3.0 besser als andere Schnittstellen?

Natürlich gibt es keine Schnittstelle, die für jede Anwendung ideal ist. Alle Schnittstellen haben ihre individuellen Vorteile. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die verschiedenen Schnittstellen.