Gesteigerte Kompatibilität

Vision Standards: Austauschbarkeit oder Kompatibilität?

Mit dem Aufkommen von Machine Vision Standards hat sich die Industrie in einer nie dagewesen Weise auf eine Zusammenarbeit geeinigt. Daraus entstanden in den letzten Jahren mit GenICam, GigE Vision oder USB3 Vision generische Schnittstellen für den Einsatz von Industriekameras mit einheitlichen Funktionsnamen und definiertem Feature-Umfang. Die Austauschbarkeit und vollständiges Plug&Play von Geräten werden dabei als wesentliche Merkmale hervorgehoben. Aber sind das wirklich die ausschlaggebenden Faktoren zur Realisierung einer Anwendung?

Bild 1 | Durch die Schnittstellenstandardisierung entstehen für Applikationen mehrere Möglichkeiten Machine-Vision-Standard-Kameras zu nutzen. (Bild: IDS Imaging Development Systems GmbH)

Ist der vollständig generische Lösungsansatz für jede Applikation der richtige? Das kommt darauf an. Um eine erfolgreiche Anwendung zu erstellen, kann die Hersteller-Austauschbarkeit durchaus ein großer Vorteil sein. Fest steht aber, dass die Erhaltung dieses Vorteils an Bedingungen geknüpft ist, die beim Aufbau einer Anwendung erst erarbeitet und zwingend einzuhalten sind. Die Entwicklung von Machine Vision Komponenten unter Einhaltung der Festlegungen der Vision-Standards ist hingegen so wichtig, um in mehr Anwendungen als zuvor zum Einsatz zu kommen. Für die Hersteller ist das anzustrebende Ziel damit eher eine ´gesteigerte Kompatibilität´, die durch die Nutzung der Standard-Vision-Protokolle automatisch gegeben ist. Die Standardisierung seitens AIA und EMVA stellt einen wichtigen Schritt dar, dem Interface Wirrwarr im Vision Umfeld Einhalt zu gebieten. Nichts desto trotz lassen die Standards den Herstellern genügend Raum für die Implementierung zusätzlicher, spezifischer Features außerhalb der SFNC, um eine Abgrenzung der Anbieter untereinander zu ermöglichen. Mit der Nutzung dieser herstellerspezifischen Feature-Sets ist ein Herstellerwechsel u.U. nicht ohne Softwareanpassungen möglich. Auch bei der Programmierschnittstelle bieten proprietäre Ansätze im Vergleich zu GenICam durchaus ein höheres Maß an Komfort und Benutzerfreundlichkeit durch den Einsatz von Convenience-Funktionen, die es im Vision Standard nicht gibt. Die Hersteller von Industriekameras wissen das und bieten deshalb oftmals eigene Programmierschnittstellen an, die aber auf standardisierten Interfaces basieren. Bleibt eine Anwendung durch die Nutzung dieser proprietären Standards trotzdem herstellerübergreifend kompatibel oder sollte man dafür ausschließlich auf die Standardschnittstellen setzen? Um die Anforderungen einer Anwendung sicher umzusetzen, sollten auch wichtige Details der generischen Systemlösung bekannt sein und im richtigen Maß eingesetzt werden.

Bild 2 | Die GenAPI vermittelt gerätespezifische Registeradressen durch definierte Feature-Namen. (Bild: IDS Imaging Development Systems GmbH)

Systemarchitektur

Auch wenn aktuelle Vision-Kameras mit GigE Vision bzw. USB3 Vision-Schnittstellen auch ohne ein herstellerspezifisches Softwarepaket funktionieren, bleibt die grundlegende Systemarchitektur notwendigerweise erhalten und muss auf einem System vorhanden sein. Die Hardware-Ebene baut auf bekannte Technologien und Anschlusstechniken zur Übertragung von Kameradaten und Kommunikationsprotokollen (z.B. USB, Gigabit Ethernet). Gerätenahe Software (Treiber und Userspace-Bibliotheken) vermittelt mit einem API zwischen dem Transportkanal der Kamera und der Benutzeranwendung. Mit GenICam als Basis erfolgte an mehreren Schnittstellen der Systemarchitektur eine Standardisierung, wodurch mehrere klar definierte und dokumentierte Ansatzpunkte für die Verwendung von Vision-Standard-Kameras geschaffen wurden. Mit GenICam (Generic Interface for Cameras) als Vermittler zwischen Benutzeranwendung und Gerätesoftware wird die Vielzahl von herstellerspezifischen Programmierschnittstellen auf eine einzige allgemeingültige beschränkt. GenICam abstrahiert den Zugang zu allen Kamerafunktionen hersteller- und transport-protokollübergreifend. Die verfügbaren Funktionen werden zur Verwendung bereitgestellt, ohne sie selbst zu kennen. Das macht sie zur idealen Anwendungsbasis, wenn es um Features geht, die sich mit jedem Kameramodell ändern oder durch Firmware-Updates erweitern können. Durch die Einführung von Protokollen wie GigE Vision und USB3 Vision auf der Transportebene musste auch ein Umdenken bei der Kamerafirmware stattfinden. Kameras mit standardisierten Transportprotokollen, die von den AIA-Mitgliedern definiert werden, sprechen eine einheitliche Sprache gegenüber der Gerätesoftware. Damit bricht auch die strikte Zusammengehörigkeit zwischen Kamerafirmware, Übertragungsprotokoll und Gerätesoftware auf. Die Kamera wird unabhängig von einer einzigen Herstellersoftware.

Herstellerunabhängige GenTL

Vision-kompatible Kameras können jetzt mit einem herstellerunabhängigen Generic Transportlayer (GenTL) betrieben werden. Die GenAPI (Generic Application Programming Interface) ermöglicht das Auflisten und die Konfiguration der verfügbaren Kamerafeatures durch die Analyse der standardkonformen XML-Datei der Kamera. Der Inhalt dieser Datei beschreibt alle implementierten Kamerafeatures in einer Syntax, die im GenAPI Modul der GenICam Spezifikation definiert ist: Funktionsnamen, Parameterlisten, erweiterte Informationen, Funktionsbeschreibung. Sogar Tooltips, die eine Anwendung für die Features anzeigen soll, sind in der XML-Datei beschrieben. Die Kamera liefert quasi ihr eigenes Programmierhandbuch mit aus. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um Standard-Features handelt, die in der GenICam SFNC (Standard Feature Naming Convention) definiert sind oder um spezielle Custom-Features, die es nur bei einem Hersteller gibt, aber standardkonform implementiert wurden. Technisch ist die herstellerunabhängige Zusammenarbeit von Hardware und Software vom Standard festgelegt und erwünscht. Die Unabhängigkeit ist aber nur seitens der Kamera zu 100% gegeben. GenICam Producer mancher Hersteller scheinen dem Anwender nahezulegen, mit welcher Kamera sie gerne zusammenarbeiten wollen. Das macht die Austauschbarkeit für Anwender manchmal etwas undurchsichtig. Mit der Unabhängigkeit ergeben sich sowohl für Kamerahersteller als auch Anwender automatisch viele neue Möglichkeiten. Z.B. die Entkopplung von Hardware- und Software-Releases. Ein neues Kameramodell bzw. neue Kamerafirmware kann in viel kürzerer Zeit bereitgestellt werden, da keine Anpassung, Dokumentation und Veröffentlichung einer Host-Software notwendig ist, um die Kamera zu betreiben. Ebenso können Updates für einzelne Kameramodelle unabhängig von der Host-Software oder anderen Modellen einfacher und schneller fertiggestellt werden. Die EMVA-Mitglieder arbeiten bereits an einer Update-Spezifikation, wie Vision-Kameras über jede beliebige standardkonforme Software mit einem herstellerspezifischen Update-Paket aktualisiert werden können. Die Unabhängigkeit bringt ganz automatisch eine erweiterte Plattformkompatibilität mit sich. Mit den Standard-Transportprotokollen wie z.B. GigE Vision oder USB3 Vision sind die Kameras auf jeder Plattform und jedem Betriebssystem lauffähig, für die es eine standardkonforme, herstelleroffene Software inklusive Transportlayer gibt. Auch wenn Sie nicht aus dem eigenen Haus stammt. Diese Unabhängigkeit ist damit die Basis für die Austauschbarkeit.

GenTL ist nicht gleich GenTL

GenTL sind aber alles andere als gleich. Allein die Tatsache, dass sie sowohl Richtung Kamera als auch Benutzeranwendung eine standardisierte Schnittstelle aufweisen und sie eigentlich nur für das Auffinden und Ansprechen von Geräten inkl. Bildaufnahme zuständig sein sollen, macht sie nicht zwangsläufig kompatibel mit allen Vision-Kameras. Ein standardisierter GenTL ist für eine Bildverarbeitungsbibliothek wie z.B. Halcon eine sinnvolle Erweiterung, wenn er offen für Vision-Kameras aller Hersteller ist. Der Vorteil ist ein vollständiges Plug&Play für alle Kameras, ohne eine herstellerspezifische 3rd-Party-Bibliothek installieren zu müssen. Aus diesem Grund haben die MVTec-Entwickler Halcon mit einem eigenen herstellerübergreifend kompatiblen GenTL ausgestattet, der jede Vision-kompatible Kamera ohne eine spezielle Herstellersoftware verwenden kann. Für Kamerahersteller bietet ein eigener GenTL trotz Standardvorgaben die Möglichkeit, dem Kunden eine Softwarekomponente bereitzustellen, die optimal mit der eigenen Kamera interagiert und auch unter den Herstellersupport fällt. Keine ganz unwichtige Frage, wenn in einer Vision-Applikation ein Problem mit der Kamera auftritt. Wer ist dann zuständig, wenn Anwendung, BV-Bibliothek, GenTL und Kamera jeweils von unterschiedlichen Herstellern sind? Die Frage stellt sich nicht, wenn alle Komponenten von ein und demselben Hersteller stammen.

Kamera-Einheitsbrei?

Kameras, die dem Standard folgen, kommunizieren und übertragen Daten mit denselben Protokollen und stellen definierte Standardfeatures zur Verfügung. „Kennt man eine, kennt man alle?“ Weit gefehlt! Wo zuvor unterschiedliche Treibersoftware notwendig war, um die Kamera-Host-Verständigung herzustellen ist nur noch eine Sprache erforderlich. Wo jeder Hersteller sein eigenes Süppchen gekocht hat, arbeiten heute alle gemeinsam an der Schnittstelle und implementieren Kamerafunktionen nach definierten Vorgaben. Jeder Nutzer profitiert von dieser Entwicklung. Worin unterscheiden sich die Hersteller noch voneinander? Auch eine standardisierte Kamera bleibt ein komplexes Produkt aus mehreren Komponenten, die ausschlaggebend für den Erfolg sind: Gehäuse (Stabilität, Ausmaße, Material, Gewicht, Stecker, Optiken, Zubehör), Elektronik (EMV-Verhalten, Störverhalten, Wärmeentwicklung, Speicher, Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit), Software (Sensor-Wissen, Feature-Umsetzung, Modularität, Wartbarkeit, Support/Unterstützung), um nur einige zu nennen. Das Gesamtpaket bleibt entscheidend für den Einsatz in einer Anwendung. Die vollständige Softwareunterstützung, um Vision-Kameras schnell und einfach in Betrieb zu nehmen, ist für Vision Ein- und Umsteiger schon ein Auswahlkriterium. IDS bietet z.B. seinen Kunden schon immer ein Rundum-Sorglos-Paket zu seinen Produkten an. Nach der Installation steht dem Anwender neben dem IDS Vision Cockpit mit graphischer Oberfläche zur Kamera-Evaluierung auch ein herstellereigener GenTL zur Verfügung. Die vollständige Kompatibilität mit allen am Markt befindlichen standardkonformen Bildverarbeitungsbibliotheken ist damit gesichert. Trotz der möglichen Austauschbarkeit der Vision-Komponenten ist ein derartiges Paket aufgrund eines komplett inbegriffenen Hersteller-Support von der Kamera-Hardware bis zur Kundenanwendung ein wichtiger Vorteil für ein Vision-Projekt.

Aller Anfang ist leicht?

Am einfachsten ist der Einstieg mit Vision-Standard-Komponenten über standardkonforme Bildverarbeitungssoftware wie Halcon, LabView oder VisionPro. Viele der namhaften Softwarepakete liefern mittlerweile eigene GenTL-Provider mit, wodurch tatsächliches Austauschen von Vision Kameras ohne herstellerspezifische Software demonstriert wird. Um Kameras über die herstellereigenen GenTL einzubinden, bringen einige dieser Softwarepakete einen entsprechenden GenICam Connector mit. So nutzen die Software-Hersteller die Vorteile der Standardisierung voll aus. Der Anwender kann direkt ohne Programmieraufwand zur Kameraeinbindung mit der Bildverarbeitung beginnen. Mit den Standardschnittstellen kommt der Benutzer lediglich über die dynamische GUI des jeweiligen BV-Frameworks in Kontakt. Diese stellen im Grunde eine benutzerfreundliche, grafische, proprietäre Schnittstelle dar, die es dem Benutzer so einfach wie möglich macht. Aber nicht jeder 3rd-Party-Bildverarbeiter liefert entsprechende GenTL-Provider mit. Das trübt das Plug&Play Versprechen etwas. Mehr Aufwand erwartet jeden, der den zweiten Ansatz wählt und seine Anwendung von Grund auf neu entwickelt. Dabei rückt die Programmierschnittstelle in den Mittelpunkt. Hier sind andere Faktoren für die Realisierung einer Anwendung wichtig. Generische Programmierung mittels GenICam kann durch die komplexen Prinzipien mühselig sein. Um jede Eventualität korrekt zu bearbeiten muss jedes Feature und jeder Wertebereich zuerst abgefragt werden, bevor ein Kameraparameter verändert werden kann. Der ungefilterte Zugriff auf jede GenICam-Komponente ist sehr atomar und erfordert ein tiefes Verständnis dieser Prinzipien. Wer eher gerätebezogen schnell vorankommen möchte und weniger Wert auf die komplexen Möglichkeiten legt, wünscht sich eine einfache, reduzierte Zusammenfassung als API.

Proprietäre Standards

Bild 3 | Proprietäre Schnittstellen erweitern die Möglichkeiten Vision-Standard-Kameras zu nutzen. (Bild: IDS Imaging Development Systems GmbH)

Die Verwendung von Vision-Standard-Kameras ist aufgrund der definierten Schnittstellen nicht nur auf eine Weise nutzbar. Die Verwendung von Convenience-Funktionen, auch Hilfs- oder Komfortfunktionen genannt, ist ein Design-Konzept, dass in proprietären Programmierschnittstellen zur Unterstützung der Entwickler gerne eingesetzt wird. Sie helfen, Code zu vereinfachen und übersichtlicher zu gestalten, indem einzelne Funktionsaufrufe gezielt gekapselt werden. Mit wenigen Funktionsaufrufen kann damit ein definiertes Ziel schneller und einfacher erreicht werden. Wenn sich ein solches proprietäres API Richtung Kamera standardkonform verhält, bildet es sogar eine weitere Möglichkeit des Zugriffs für eine Kundenanwendung. Solange der Hersteller einer solchen proprietären Ebene keine Filterung für seine eigenen Geräte integriert, steht diesem Ansatz eine Nutzung in herstellerübergreifenden Anwendungen nichts im Weg. Übrigens entsprechen proprietäre GUIs von BV-Bibliotheken wie z.B. Halcon genau diesem Ansatz. Halcon nutzt Vision-Standards mit eigener Benutzeroberfläche.