Bildverarbeitung im 10GigE-Zeitalter


Vergleich der Hardware

Sowohl für CL- als auch für CXP-Kameras wird auf der PC-Seite jeweils ein spezieller Framegrabber gebraucht. Durch die Standardisierung ist es jedoch möglich, Kameras und Framegrabber verschiedener Hersteller zu kombinieren. Ein Vorteil dieser Systemarchitektur ist, dass einige Bildverarbeitungsschritte, wie das Debayering (Berechnung der Farbwerte pro Pixel aus Rot-, Grün- und Blau-Werten der Nachbarpixel), bereits effizient auf dem Framegrabber erfolgen kann, was die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des PCs reduziert. Zu beachten ist, dass die Framegrabber an das Gerät und die Datenmenge angepasste Softwarebibliotheken brauchen, die von einem Hersteller zum anderen unterschiedlich sein können. Für GigE Vision über 10GigE ist dagegen keine spezielle Framegrabber-Karte notwendig, sondern lediglich ein 10GigE-Anschluss. Da dieser momentan jedoch noch nicht standardmäßig an jedem Rechner verfügbar ist, muss eine 10GigE-Netzwerkkarte vorhanden sein. Unter der Annahme, dass die 10Gbps voll ausgeschöpft werden sollen, reichen ein normaler Software-Filtertreiber, wie der Univeral Pro von Intel, und eine übliche Dual-Core-CPU nicht aus. Der Netzwerkkartenhersteller Myricom hat speziell einen Machine Vision Accelerator (MVA) entwickelt, der den Overhead des Host Prozessors verringert und damit die maximale Datenrate erhöht. Die Daten des GigE-Vision-Standard-Protokolls werden direkt in den Arbeitsspeicher des Nutzers geschrieben, ohne dass die Daten zwischengespeichert und kopiert werden müssen, wodurch die CPU-Last deutlich sinkt.

Maximale Länge und Flexibilität der Kabel

Der Verkabelung kommt bei der Systemauslegung eine große Bedeutung zu. Zu berücksichtigen sind hier die Größe der Konnektoren, die Übertragungslänge, der minimale Biegeradius sowie die Haltbarkeit bei dauerhafter mechanischer Biegung und Torsion. Die Biegeeigenschaften der verschiedenen Kabel sowie die Größe der Konnektoren ist vergleichbar, wobei die CL-Konnektoren größer als die BNC-Konnektoren (CoaXPress) und die SFP-Transceiver für 10GigE sind, was gegebenenfalls die Verlegung in Kabelkanälen erschwert. Zudem nutzen CL Full und CXP im Falle von mehreren Lines zwei oder mehr Kabel. Dies erhöht den Platzbedarf im Kabelkanal und wirkt sich insgesamt auch negativ auf die Biegeeigenschaften aus. Da es für GigE Vision über 10GigE verschiedene Verkabelungsmöglichkeiten gibt, z.B. CAT7-Kupferkabel, Mulitmode-Glasfaserkabel und Singlemode-Glasfaserkabel, sind auch die Biegeradien und der Kabeldurchmesser jeweils leicht unterschiedlich. Kabelhersteller entwickeln derzeit mit Hochdruck Glasfaserkabel für IBV-Anwendungen, dennoch weisen die Kabel immer noch die größten minimalen Biegeradien auf und sind noch nicht für anspruchsvolle Robotik- oder Schleppketten-Anwendungen geeignet. Gleiches gilt weitgehend für CAT7-Kabel. Der größte Unterschied der drei Schnittstellen zeigt sich bei der maximalen Kabellänge, ein wesentlicher Parameter für Anwendungen in der Verkehrsüberwachung und Sicherheitstechnik. CL hat hier die kürzeste Reichweite, da ohne großen technischen Aufwand nur 10m möglich sind. Spezielle, kostenintensive Kabel und Framegrabber erlauben bis zu 20m Übertragungsstrecke. CXP erreicht die dreifache Reichweite, die maximale Kabellänge ist 68m. Hier können auf Kosten der Datenrate auch bis zu 130m erreicht werden, wobei der Standard dann nur noch 1,25Gbps spezifiziert. Diese Abstände sind jedoch nicht zu vergleichen mit der Reichweite von 10GigE, da ein einziges Singlemode-Glasfaserkabel über mehrere Kilometer geführt oder ein bestehendes Glasfasernetzwerk genutzt werden kann. Daneben lassen sich auf Grund der Auswahl an verschiedenen Kabeln für klassische IT-Installationen die Kosten und die Leistung optimieren.

Stromversorgung und Energieverbrauch

Bei der Verkabelung muss auch das Stromversorgungskabel berücksichtigt werden. Hier ist sowohl bei CL als auch bei CXP eine Stromversorgung über das Datenkabel (PoCL, PoC) möglich, sodass keine weitere Leitung nötig ist. Abgesehen von einigen Kabelanfertigungen mit je zwei Glasfaserleitungen für die Datenübertragung und zwei Kupfer-Leitungen für die Stromversorgung, ist dies bei 10GigE nicht möglich. Jedoch kann die Stromversorgung oft lokal erfolgen, während nur das Datenkabel bis zum (ggf. weit entfernten) Rechner geführt werden muss. Mit größeren Datenraten geht ein höherer Stromverbrauch und damit eine erhöhte Wärmeentwicklung in der Kamera einher. Dieser Nachteil kommt bei allen drei Schnittstellen zum Tragen. Da insbesondere bei 10GigE die Bilddaten für den Versand speziell verpackt werden müssen, bedarf es auf der Kameraseite bereits entsprechender Rechenschritte, die Leistung verbrauchen und Wärme produzieren. Jedoch können im Rahmen dieser Rechenschritte auch bereits Elemente der Bildoptimierung direkt in der Kamera erledigt werden. Unabhängig von der Datenschnittstelle entscheidet der geschickte Bau der Kamera über die effiziente Wärmeabfuhr vom Bildsensor und der Kommunikationsschnittstelle. 10GigE sind hier jedoch gewisse thermische Grenzen gesetzt, was die Kompaktheit des Kameragehäuses betrifft.

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inVISION 1 2014
Framos GmbH
www.framos.de

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