Vorteile von Highspeed-Kameras mit 10GigE bis 100GigE

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Sehr hohe Daten- und Bildraten, geringer CPU-Overhead, zahlreiche Kabellängenoptionen, niedrige Preise und eine einfache Usability sind nur einige der Vorteile der neuen 10GigE bis 100GigE Industriekameras von Emergent Vision.

Bild 1a/b | Datenpfad einer üblichen 1GigE Vision Bilderfassung (o.). Für höhere Übertragungsgeschwindigkeiten bis 100GigE, werden NICs für eine Treiber Implementierung bevorzugt (u.). Viele NIC-Anbieter unterstützen Highspeed-Offloading zu einem Drittel des Preises von Framegrabbern. (Bild: Emergent Vision Technologies)

Die Nachfrage nach Highspeed-Lösungen für die Bildverarbeitung steigt immer weiter. Framegrabber sind eine Möglichkeit diese Anwendungen zu unterstützen. Durch Änderungen auf der Treiberebene sind aber für diese Anwendungen auch 100GigE Übertragungsgeschwindigkeiten mit gleicher Leistung und geringeren Kosten möglich, und dies ohne den Einsatz eines Framegrabbers. Im folgenden Beitrag werden die Vorteile von 10GigE und 100GigE näher beleuchtet.

Optimierte 100GigE-Technologie

Das herkömmliche GigE-Frame-Erfassungsmodell ist in Bild 1 zu sehen. Wenn allerdings 1GigE nicht optimiert ist, kommen auch Intel PRO/1000-basierte Netzwerkschnittstellenkarten (NICs) für eine Treiber-Implementierung zum Einsatz. Bild 1 zeigt auch das Datenmodell mit Remote Direct Memory Access (RDMA) und RDMA over Converged Ethernet (RoCE). Diese Systeme liefern eine niedrige CPU-Auslastung und verhindern den Verlust einzelner Bilder – bei geringem Jitter und einer Latenz, die mit den Werten von CoaXPress vergleichbar ist. Das RDMA-optimierte GigE-Modell ermöglicht zudem den direkten Zugriff vom Speicher eines Hosts auf den Speicher eines anderen Hosts, ohne dass ein Betriebssystem oder und die CPU beteiligt sind. RoCE ist ein Standardprotokoll, das eine Datenübertragung von RDMA über Ethernet-Netzwerke ermöglicht und eine Transport-Offload mit Hardware-RDMA-Engine-Implementierungen erlaubt. Das Netzwerk-Design optimiert dabei die Leistung, und sorgt für geringere Latenzen und CPU-Last sowie eine höhere Bandbreite. Obwohl Emergent Vision keine RDMA- und RoCE-Protokolle verwendet, nutzt das Unternehmen für seine Highspeed-GigE-Kameras die zugrundeliegenden Funktionen der Netzwerkkarten für eine optimale Bilderfassung. Daher können die NICs so programmiert werden, dass sie das GigE Vision-Protokoll unterstützen, und somit das Video in einem zusammenhängenden Speicherabschnitt und bei Bedarf den Header in einen anderen Abschnitt sichern zu können. Für GigE Vision ist auch der Einsatz von handelsüblichen NIC- oder FPGA-Karten zum direkten Anschluss an eine 100GigE-Kamera möglich, was die Komplexität der Systeme nochmals reduziert.

Bild 2 | Ein System aus zwölf 25GigE-Kameras, Switch und duale 100G-NIC hat die gleiche Leistung wie ein System aus zwölf CXP12-Kameras und drei CXP12-Grabbern. (Bild: Emergent Vision Technologies)

Trigger und Zeitstempel

Beim Einsatz mehrerer Kameras helfen präzise Zeitstempel, synchronisierte Bilderfassungen auf der Grundlage eines internen zeitbasierten Befehls auszuführen, ohne dass ein externer Trigger erforderlich ist. Über GigE erfolgt die Kombination der Daten und Bilder mehrerer Kameras zu einem präzisen Datenstrom in Echtzeit. Die Verfügbarkeit von günstigen Ethernet-Switches bietet Systementwicklern zudem die Möglichkeit, IEEE1588 PTP für die Synchronisation mehrerer Kameras auf 1µs zu aktivieren. Für den Fall, dass Anwender die Kameras über eine Netzwerkkarte triggern möchten, bietet Emergent Vision eigene Dual-Port 25Gb NICs und Single-Port 100Gb NICs mit einem Trigger-Port auf der Vorderseite an. Zudem verfügen die FPGA-Karten auch über IO-Port-Funktionalitäten.

Kabellängen bis 10km

Mit Zubehör von Drittanbietern, GPU-Unterstützung, schneller Datenübertragung und steigenden Bildraten ergeben sich zahlreiche Applikationen von GigE Kameras auch außerhalb klassischer Industrieanwendungen. So kommen beispielsweise zwei 25GigE-Kameras mit einer dualen NIC und einem Nvidia Xavier CPU/GPU Einheit Nvidia Xavier-Grafikprozessor bei Drohnensystemen zum Einsatz. Auch die Kabellänge zwischen Kamera und PC ist ein wichtiger Faktor bei Anwendungen wie z.B. in der Überwachungs-, Transport- und Sporttechnik. Da aber SFP+ (10G), SFP28 (25G) und QSFP28 (100G) kostengünstige Standard-Transceiver-Teile nutzen, sind bei den neuen 100GigE-Kameras Single-Mode-Faser-Kabellängen bis zu 10km und mehr möglich. Zusammengefasst ergeben sich für GigE-Kameras folgende Vorteile:

sehr hohe Daten- und Bildraten

Überbrückung großer Entfernungen

Kamerasynchronisation mit PTP

Kamera-Multiplexing und -Multicasting

Geringer CPU-Overhead, Latenz & Jitter

Wettbewerbsfähige Kosten & Leistung

Vergleich GigE vs. CoaXPress

Damit ein CXP-System die gleiche Leistung wie ein GigE-System aus zwölf 25GigE-Kameras, einem Switch und eine duale 100G-NIC erreicht, sind zwölf CXP12-Kameras und drei separate CXP12-Framegrabber erforderlich (Bild 2). Wer eine Glasfaser-CXP-Option für größere Entfernungen benötigt, muss zudem zusätzlich sechs Quad-Fiber-Adapter einsetzen, was die Gesamtkosten weiter erhöht. In Bild 3 sind zwei CXP12-Kameras – jede mit acht Ports – zusammen mit vier CXP-12-Framegrabbern notwendig, um einem GigE Vision-Setup zu entsprechen, das aus zwei 100GigE-Kameras besteht, die an eine duale 100G-NIC angeschlossen sind. Beide Beispiele zeigen die Kostenvorteile von GigE Vision.