Bildverarbeitung im 10GigE-Zeitalter

Bildverarbeitung im
10GigE-Zeitalter

Highspeed-Interfaces im Vergleich: CameraLink,
CoaXPress und 10GigE

Im Markt der digitalen Videokameras für die IBV spielt Gigabit Ethernet unter den Schnittstellen zur Datenübertragung zwischen Kameras und Verarbeitungseinheiten die größte Rolle. Hier beträgt die nominale Übertragungsgeschwindigkeit lediglich 1Gpbs. Der Standard GigE Vision erhöht die effektive Datenrate für digitales Video und unterstützt die Interaktion zwischen Kameras und Softwareprodukten verschiedener Hersteller. Für ein Video in Full-HD-Auflösung (1.920×1.080 Pixel) liefert der Standard eine maximale Bildrate von ca.30fps und bei 10MP Auflösung ungefähr 7fps. Die Übertragung über USB3.0 kann diese Datenrate theoretisch auf 5Gbps verfünffachen. Real können heute Kameras mit USB3.0-Schnittstelle ca. 4MP mit bis zu 90fps übertragen. Wie können aber die entstehenden Datenraten übertragen und verarbeitet werden? Hierfür sind schnellere Datenschnittstellen nötig, wie z.B. CameraLink, CoaXPress und 10GigE, die im folgenden Beitrag näher vorgestellt werden.
CameraLink (CL) aus dem Jahr 2000 ist in der Riege der älteste Standard, der ein serielles Kommunikationsprotokoll zwischen Kamera und einer Framegrabber-Karte im PC definiert. Er ist in drei Konfigurationen Base, Medium und Full gegliedert, die sich in Übertragungsrate und Anzahl der benötigten Kabel unterscheiden. Im Base Modus ist die maximale Übertragungsrate 2Gbps im Full Modus 6Gbps, wobei hier zwei parallele Kabel genutzt werden. Die Kabellänge ist ohne großen technischen Aufwand auf 10m begrenzt. Auf der Computer-Seite werden eine CL-Framegrabber-Karte und kameraspezifische Dateien zur vollständigen Kommunikation zwischen PC und Kamera benötigt. CoaXPress (CXP) wurde 2007 entwickelt, um höhere Bandbreite und längere Übertragungswege als CL zu realisieren. Die Datenübertragung von bis zu 6,25Gbps beruht auf vergleichsweise günstigen 75Ohm Koaxialkabeln mit einer maximalen Übertragungsstrecke von 70m, längere Distanzen sind bei Reduktion der Datenmenge möglich. Laut Standard ist dies auf bis zu vier Kabel und 25Gbps skalierbar. Da es sich auch hier um eine Schnittstelle handelt, die nur in der professionellen Bildverarbeitung Anwendung findet, benötigt der Nutzer ebenso einen speziellen Framegrabber, um die Daten auf der PC-Seite empfangen und weiterverarbeiten zu können. GigE Vision über 10GigE ist in dieser Reihe die neueste Methode der Datenübertragung für Videokameras. Sie nutzt den 2006 etablierten GigE-Vision-Standard, skaliert die Übertragung jedoch von 1Gbps auf 10Gbps. Die Datenübertragung erfolgt über Kupfer- oder Glasfaserkabel in Kombination mit SFP-Transceivern (Small Formfactor Pluggable), wobei, je nach Kabelqualität, Längen von bis 100m über Kupferkabel und bis zu 10km über Single-mode-Glasfaserkabel möglich sind. Auf der PC-Seite kommen Ethernet-Netzwerkkarten für 10Gbps zum Einsatz, die in der modernen IT bereits Standard sind.

Standardisierung

Alle vorgestellten Schnittstellen-Lösungen sind standardisiert, das heißt, es existiert ein vorgeschriebenes Kommunikationsprotokoll zwischen Kamera und PC. Zudem legen die Standards auch Hardware-Komponenten wie Konnektoren und deren Pin-Belegung fest. GigE Vision: Der GigE-Vision-Standard hat das Ziel, Kameras, NICs (Network Interface Card) und Software verschiedener Hersteller und Produktlinien miteinander beliebig kompatibel zu machen. Um eine schnelle und reibungslose Datenverarbeitung zu gewährleisten, ist für den Standard ein Software-Filtertreiber zu empfehlen, der die Bilddaten direkt an den entsprechenden Arbeitsspeicher der Software übergibt. Für 10GigE ist ein solcher Filtertreiber aufgrund des hohen Datenvolumens pro Sekunde unerlässlich. CameraLink: Auch im CL-Standard ist die Form der Konnektoren, deren Pin-Belegung und das Kommunikationsprotokoll festgelegt, sodass Kameras und Framegrabber verschiedener Hersteller kombiniert werden können. Zudem benötigt man jedoch Kamera- und Framegrabber-spezifische Konfigurationsdateien, die die individuelle Kommunikation zwischen den Komponenten beschreibt. Hier kann die Leistungsfähigkeit der Übertragung je nach den Anforderungen des Anwendungsfalls zwar optimiert werden, der Umgang mit diesem Standard erfordert jedoch einige Kenntnisse und Erfahrung. CoaXPress: Der CXP-Standard definiert neben Hardware (75Ohm Koaxialkabel) und dem Übertragungsprotokoll auch die elektrischen Signale, die übertragen werden. Ein Nachteil des Standards ist, dass er keinen Mechanismus zum erneuten Versenden von Daten vorsieht. Gehen Daten während der Übertragung verloren, können die Datenpakete nicht erneut versendet werden und sind verloren. Dies ist gerade in einer Umgebung mit starken elektromagnetischen Störungen problematisch.

Maximale Datenmenge

Ein wichtiges Kriterium bei der Wahl des (Hochgeschwindigkeits-)Interfaces ist die maximale Datenmenge, die pro Zeiteinheit übertragen werden kann. CL Full wie auch CXP bietet eine Übertragung von bis zu 6,25Gbps, wobei für CXP ein Kabel, für CL Full zwei Kabel zur Übertragung der Daten nötig sind. Diese Datenmenge wird von 10GigE unter Verwendung nur eines Kabels übertroffen. Im CXP-Standard ist eine Steigerung der maximalen Datenrate möglich: mit vier Kabeln kann eine Datenrate von 25Gbps erreicht werden. Dabei müssen jedoch auch entsprechend leistungsfähige Framegrabber verwendet werden. In einem Vergleich der drei Schnittstellen-Standards erreicht GigE Vision über 10GigE und damit den größten Durchsatz, auch wenn man aufgrund des verwendeten TCP/IP-Protokolls bis zu 20% Overhead von der maximalen Datenrate abziehen muss. Der Einsatz eines Einzelkabels spart hier nicht nur Kosten, sondern erhöht auch die Flexibilität bei der Installation des Kamerasystems.

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