Weg mit dem Flaschenhals

PCI-Express-Kamera mit 7GB/s effektiver Bandbreite

PCIe ist derzeit die einzige standardisierte Kameraschnittstelle mit ausreichend Bandbreite für die aktuell schnellsten industriellen Bildsensoren. Der PC-Bus eignet sich dank standardisierter Verkabelungen, Adapterkarten und Softwaretreiber auch als Kameraschnittstelle mit 7GB/s effektiver Bandbreite.

Dank der PCIe Gen3 x8 Schnittstelle bietet die xiB-Kamera-Plattform auf Basis des CMV12000-Sensors 330fps mit 12MP-Auflösung. (Bild: Ximea GmbH)

I-Sensor-Hersteller wie Cmosis, ON Semiconductor, Luxima oder Fairchild Imaging, liefern sich seit geraumer Zeit ein Wettrennen um immer höhere Sensorauflösungen und Bildraten. Wo bisher mehrere 1 bis 2MP-Sensoren notwendig waren, um z.B. Display-Panels zu inspizieren, reicht nun ein 12MP-Sensor. Darüber hinaus machen Auflösungen von 50MP oder Bildraten von knapp 10.000fps bestimmte Anwendungen überhaupt erst möglich. So hilfreich allerdings viele Megapixel und hunderte oder gar tausende Bilder pro Sekunde auch sein mögen, sie erzeugen ein Problem: Eine Unmenge von Daten in sehr kurzer Zeit. Der 12MP-Sensor CMV12000 von Cmosis liefert bis zu 300fps, was bei 10bit/Pixel eine Datenrate von mehr als 41,5Gbit/s generiert. Der Lux13HS von Luxima nimmt bei einer auf 1.184×384 Pixel reduzierten Auflösung 9.000fps auf. Auch besonders rauscharme und lichtsensitive Sensoren mit Scientific CMOS (sCMOS) Technologie benötigen hohe Bandbreiten, da sie ihre Bilddaten gleichzeitig über einen Low-Gain- und einen High-Gain-Kanal ausgeben. Entwickler von Visionsystemen wünschen sich jedoch auch bei diesen hohen Datenraten eine echtzeitfähige Übertragung, Auswertung und ggf. Speicherung der Daten. Allerdings erreicht z.B. CoaXPress nur rund 21Gbit/s an effektiver Bandbreite, zu wenig für die meisten schnellen Sensoren. Der für 2019 angekündigte Nachfolger CoaXPress v2 soll den doppelten Datendurchsatz erlauben und könnte dann zumindest die meisten der heute verfügbaren Sensoren abdecken.

Hohe Bildraten mit Boxed-Kameras

Aufgrund der limitierten Bandbreite halfen sich einige Nutzer bisher mit sogenannten Boxed-Kameras, die Bilder mit sehr hoher Geschwindigkeit aufnehmen, in einem internen Puffer zwischenspeichern und erst dann an einen PC zur Weiterbearbeitung ausgeben. Je nach Kamera sind jedoch nur Aufnahmen von wenigen Sekunden möglich. Dieser Ansatz erforderte eine exakte Synchronisierung der Kameras mit dem aufzunehmenden Vorgang und eignete sich nur für kurze Abläufe, wie z.B. bei Crash-Tests. Bei der Untersuchung von chemischen Prozessen, wie z.B. Explosionen, ist u.U. der exakte Moment des zu beobachtenden Vorgangs nicht vorherzusehen, was eine Synchronisierung mit den Kameras verhindert. Insbesondere bei längeren Abläufen, wie der Entwicklung von Gasen, dem Mischen von Strömungen oder in der Particle Imaging Velocimetry ist die Aufnahmezeit von Boxed-Kameras nicht ausreichend. Zudem kann die Auswertung nicht in Echtzeit erfolgen, da die Entwickler die Daten erst aus der Kamera auslesen und auf einen Rechner übertragen müssen.

PCI-Express-Bus (PCIe)

Diagramm der Auflösungen und raten von
Hochleistungssensoren und Kameraschnittstellen (Bild: Vision Markets)

Ob Camera Link, CoaXPress, oder USB 3.0: All diese Schnittstellen bilden lediglich eine Zwischenschicht zwischen dem Bild-Sensor in der Kamera und dem PCI-Express-Bus (PCIe) im PC. Entwickler kamen nun auf die Idee, diese Zwischenschicht zu eliminieren und die Daten von der Kamera direkt auf den hoch-performanten PCIe-Bus zu übertragen. Mittlerweile ist die dritte Generation des PCIe- Standards in der Breite ausgerollt und bietet bei acht aggregierten Lanes (PCIe Gen3 x8) eine nominale Bandbreite von 64Gbit/s. Der PCIe-Bus ist tiefgehend in die Prozessor- und Busarchitekturen von PC-Systemen integriert. So kümmern sich eigene Scatter/Gather-Controller mit DMA (Direct Memory Access) um das Bus-Management und entlasten die CPU. Der PCIe-Bus-Controller kann die ankommenden Daten direkt in den Arbeitsspeicher des PCs, an die GPU oder auch an weitere dedizierte PCIe Schnittstellenkarten zur Bildverarbeitung mittels FPGAs oder DSPs übertragen. Dadurch entsteht nur eine minimale, deterministische Latenz zwischen Bildaufnahme und Verarbeitung, da die Daten nicht erst für zwischengeschaltete Schnittstellenprotokolle umgewandelt werden müssen. Sämtliche heute verfügbaren Image Sensoren lassen sich mit dieser Bandbreite voll ausreizen. Zur Speicherung der Bilddaten über mehrere Stunden hinweg sind bereits SSD-Raid Lösungen erfolgreich getestet worden und im Einsatz. Darüber hinaus eignet sich PCIe auch für die aggregierte Übertragung der Bilddaten mehrerer Sensoren über ein einziges Kabel, z.B. für 360° Rundumsicht-Kameras oder optische 3D-Erfassungs- und Virtual-Reality-Systeme. Dank GenICam- und GenTL-kompatiblen Treibern ist die Einbindung von PCIe Kameras mit allen verbreiteten Bildverarbeitungsbibliotheken möglich. Adapterkarten führen den PCIe-Port des PC-Motherboards nach außen. Die Karten sind von verschiedenen Herstellern wie Samtec, One Stop Systems und Dolphin ICS verfügbar. Klassische Framegrabber sind somit überflüssig, da die benötigte Logik bereits in die Kamera integriert ist. Die Verkabelung basiert auf Standards wie iPass- und MTP-Steckern für Glasfaser und bis zu 100m langen Leitungen bei voller Bandbreite. Diese sind auch in Versionen zertifiziert nach dem MIL-Standard erhältlich.

Fazit

Maximale Performance entsteht, wenn Bilddaten direkt von der Kamera auf den PCIe-Bus des PCs ohne zwischengelagerten Schnittstellenstandard und ohne zusätzlichem Overhead erfolgt. Bei PCIe-Verkabelungen und -Adapterkarten existieren standardisierte Komponenten mehrerer Hersteller zu günstigen Preisen. Dank der PCIe Gen3 x8 Schnittstelle bietet die xiB-Kamera-Plattform sehr hohe Übertragungsrate. Das Modell auf Basis des CMV12000-Sensors liefert 330fps mit 12MP-Auflösung und ist geeignet für zahlreiche Hochleistungssensoren, z.B. von Luxima, Gpixel und anderen Herstellern.