Machine vision Kamera Schnittstellen-Whitepaper

Dieser Artikel bietet einen tieferen Einblick in die Vor- und Nachteile der verschiedenen Typen von Machine Vision Kamera-Schnittstellen, damit Sie die richtige Schnittstelle für Ihre Machine Vision Applikation auswählen können. Es ist zu beachten, dass VA Imaging nur USB 2.0, USB 3.0, GigE, 5GigE und 10GigE Machine Vision Kameras anbietet, und der Artikel wird sich hauptsächlich auf diese fünf industriellen Machine Vision-Schnittstellen konzentrieren. In der Tabelle unten haben wir jedoch auch andere Schnittstellen aufgenommen, um den Überblick über industrielle Machine Vision Kamera-Schnittstellen zu vervollständigen.

 

	USB 2.0	USB 3.0	FireWire	Hacken	KameraLink	Koaxpresse	5GigE	10GigE
Bandbreite (Megabyte/s)	40	400	80	100	Basis = 250 Mittel = 500 Voll = 750	1 Spur = 750 2 Spuren = 1500 3 Spuren = 2250 4 Spuren = 3000	500	1000
5MP Kamera Maximale Bildrate	8 Bilder/s	80 Bilder/s	16 Bilder/s	25 Bilder/s	150 Bilder/s	600 fps	100 Bilder/s	200 fps
Kabellänge (maximal)	5 m	4.6m	10m	100 m	7m	100 m	100 m	100 m
Strom + Daten an einem Kabel	Ja	Ja	Ja	Nur wenn PoE	PoCL	Ja	Nur wenn PoE	Nur wenn PoE
Framegrabber obligatorisch	NEIN	NEIN	Ja	NEIN	Ja	Ja	NEIN	Ja
Kabelkosten	Niedrig	Niedrig	Mittel	Niedrig	Hoch	Niedrig	Niedrig	Niedrig
Kamera	Sehr niedrig	Niedrig	Niedrig	Niedrig	Hoch	Hoch	Mittel	Hoch
CPU-Auslastung	Mittel	Niedrig	Niedrig	Mittel	Niedrig	Niedrig	Mittel	Mittel
Kunde Annahme	Abnehmend	Gut	Ende des Lebens	Gut	Abnehmend	Wachsend	Wachsend	Wachsend
Mehrere Kameras	Gerecht	Exzellent	Exzellent	Gut	Gerecht	Exzellent	Exzellent	Exzellent

 

Was ist die Bandbreite einer Machine Vision Kamera Schnittstelle?

Das erste Thema, das wir besprechen werden, ist Bandbreite einer Machine Vision Kamera Schnittstelle. Einfach gesagt ist Bandbreite eine Möglichkeit, die Menge an Daten zu messen, die zwischen Computern über einen bestimmten Zeitraum gesendet werden kann. Im Hinblick auf Machine Vision betrifft dies die Menge an Bilddaten, die von der Machine Vision Kamera an einen Host-Controller gesendet werden kann. Bandbreite wird in Megabyte pro Sekunde gemessen, was bedeutet, dass eine USB2.0 Machine Vision Kamera Bilddaten im Umfang von 40 Megabyte pro Sekunde senden kann.
Das bedeutet auch, dass eine USB 3.0 Machine Vision Kamera Schnittstelle (wenn sie mit voller Kapazität verwendet wird) Bilddaten in Höhe von 400 Megabyte pro Sekunde senden kann, was etwa 10 Mal mehr ist als die USB 2.0 Machine Vision Kamera Schnittstelle. Beim Senden großer Datenmengen (hohe Bandbreite) benötigt der Computer auch mehr Zeit, um diese Daten zu verarbeiten. Infolgedessen dauert es länger, bis der Computer ein Bild rekonstruiert. Eine große Bandbreite beschleunigt jedoch den Datentransfer, sodass der Host-Controller früher und schneller mit dem Berechnen und Rekonstruieren von Bildern beginnen kann. Dies ist oft in Machine Vision Applikationen erforderlich.

Leistungsfaktor für Machine Vision Kamera Schnittstelle Bandbreite

Die maximale Bandbreite Ihrer Machine Vision Kamera-Schnittstelle ist nur einer der wenigen Faktoren, die den endgültigen Datendurchsatz beeinflussen, was zu weniger Bildern pro Sekunde führt. Latenz, Jitter und Paketverlust können Ihren Datendurchsatz beeinträchtigen, aber auch die Qualität Ihres Kabels kann weniger Bandbreite zur Verfügung stellen. Wir empfehlen Ihnen, unsere Anleitungen zu USB 3.0 oder GigE Machine Vision-Kameras zu lesen, in denen wir diese Probleme behandeln.
Es hängt sehr von der Maschinenbildanwendung und den Einschränkungen Ihres Systems ab, welche Bandbreite benötigt wird. Im Allgemeinen kann man sagen, dass wenn Sie eine 2-Megapixel-Kamera haben, jedes Bild 2 Megabyte groß ist. Wenn Ihre Anforderung 10 Bilder pro Sekunde angibt, beträgt die erforderliche Bandbreite 2x10=20 Megabyte pro Sekunde. Jede Maschinenbildkamera-Schnittstelle kann diese Bandbreite abdecken. Wenn die Anforderung jedoch 100 Bilder pro Sekunde beträgt, benötigen Sie 2x100=200 Megabyte pro Sekunde Bandbreite und nur CameraLink, CoaXPress, USB 3.0, 5GigE und 10GigE Machine Vision Kamera Schnittstelle bleibt.

Was ist die maximale Kabellänge für eine Machine Vision Kamera-Schnittstelle?

Der zweite Diskussionspunkt ist die maximale Kabellänge der Machine Vision Kamera Schnittstelle. Diese maximalen Kabellängen geben an, welche Kabellänge es Ihnen ermöglicht, weiterhin mit der maximalen Menge an Bandbreite zu arbeiten. Es gibt beispielsweise USB 3.0-Kabel, die bis zu 25 Meter lang sind, jedoch überschreitet diese Zahl bei weitem die 4,6 Meter langen Machine Vision USB 3.0-Kabel, was dazu führt, dass ein großer Teil der Bandbreite verloren geht. Die Verkabelung variiert je nach dem gewünschten Flexibilitätsgrad und beeinflusst auch, wie viel Bandbreite Sie übertragen möchten. Typische Preise für Verkabelungen sind:
-    USB2-Kabel für Machine Vision Kamera kosten zwischen 4 und 6 Euro
-    USB 3.0-Kabel für Machine Vision Kamera kosten zwischen 16 und 20 Euro
-    GigE, 5GigE, 10GigE Kabel für Machine Vision Kamera kosten zwischen 8 und 10 Euro
Wenn die Machine Vision Kamera auf einer beweglichen Plattform montiert ist, wird ein Hochflexkabel benötigt. Dieses Hochflexkabel kann mehrmals pro Sekunde, jeden Tag über viele Jahre hinweg gebogen werden. GigE Hochflexkabel sind die günstigsten Machine Vision Hochflexkabel. Sie beginnen bei 50 Euro.

Ist ein Frame Grabber für USB 2.0, USB 3.0 und GigE Machine Vision Kameras erforderlich?

Für die Schnittstellen USB 2.0, USB 3.0, GigE und 5GigE benötigen die Kameras keinen Frame Grabber. Nur für die Machine Vision-Schnittstellen wie 10GigE, Kamera Link, Firewire B und Coaxpress ist ein Framegrabber zwingend erforderlich. Es ist jedoch zu beachten, dass der Begriff ‚Frame Grabber‘ eine breite Definition hat und interpretationsfähig ist. Wenn ein Computer nicht genügend USB 3.0 oder GigE-Ports hat, haben wir eine Schnittstellenkarte, um die Anzahl der USB 3.0 oder GigE-Schnittstellenports des Computers zu erweitern. Diese Schnittstellenkarte wird manchmal auch als Framegrabber bezeichnet. Alle von uns angebotenen Schnittstellenkarten / Frame Grabber sind mit unseren Machine Vision-Kameras getestet, um bei voller Bandbreite betrieben werden zu können.

Was ist der Preis für eine Machine Vision Kamera?

"Bezüglich der fünf Arten von Machine Vision Kamera-Schnittstellen, die wir anbieten, ist 10GigE die teuerste und USB2 die günstigste Machine Vision Kamera Schnittstelle. Alle fünf sind immer noch günstiger als Kamera Link und Coaxpress-Kameras. Mit dem wettbewerbsfähigen Preismodell sind die günstigsten Modelle alle unter 100 € erhältlich. Um das ins Verhältnis zu setzen: Ein Machine Vision-Frame Grabber für Coaxpress kostet etwa 500 € und eine einfache Coaxpress Kamera liegt bei etwa 1000 €, zusammen ergibt das 1500 €. Das macht es 10x teurer als die USB 3.0 Machine Vision Kamera-Schnittstelle. Daher glauben wir, dass wir mit den Schnittstellen USB2, USB 3.0, GigE und 5GigE die meisten gängigen Machine Vision Applikationen abdecken können."

Wie hoch ist die CPU-Auslastung der Machine Vision Kamera?

Jede Machine Vision Kamera Schnittstelle nutzt die CPU-Leistung, um die Bilder von der Schnittstelle in den Speicher des Prozessors zu übertragen. Die benötigte CPU-Leistung wird als CPU-Auslastung definiert. USB 3.0 hat eine "niedrige" CPU-Auslastung auf dem Host-Controller, während USB2 und GigE eine "mittlere" CPU-Auslastung haben. USB 3.0 hat eine niedrige CPU-Auslastung, weil es ein völlig anderes Protokoll als USB2 und GigE verwendet und dieses Protokoll weniger Ressourcen benötigt.
USB 3.0, GigE, 5GigE und 10GigE Machine Vision Kamera Schnittstelle verwendet eine Unicast Dual-Simplex Dateninterface, dieses Interface ermöglicht den Datentransfer in beide Richtungen. Es funktioniert, wo ein hostgesteuertes Verfahren Routenpakete und Benachrichtigungen explizit in einer allochronen Weise sendet. Dies ermöglicht der Machine Vision Kamera, eine Nachricht an den Host-Controller zu senden, wenn sie bereit für die Datenübertragung ist. Dieser neuere Mechanismus reduziert die System- und CPU-Belastung im Vergleich zum Abfrageverfahren in USB2.0. Um es zu verdeutlichen, die USB2.0 Machine Vision Kamera Schnittstelle nutzt einen einseitigen Datentransfer, was dazu führt, dass mehr Daten (Bildpakete) auf der Schnittstellenkarte gestapelt werden und mehr Arbeit auf der CPU lastet.
Eine 5GigE Machine Vision Kamera benötigt ebenfalls zusätzliche CPU-Leistung. Die 5GigE Kamera sendet Bilder mit verlustfreier Kompression über die 1000Mbit-Ethernet-Schnittstelle an den Computer. Der Computer muss die Bilder dekomprimieren, was zu zusätzlicher CPU-Leistung führt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass USB 3.0 bei weitem die geringste CPU-Auslastung aufweist, während GigE und 10GigE etwas mehr CPU-Auslastung aufweisen als USB 3.0. 5GigE und USB2 haben die höchste CPU-Auslastung.

"Akzeptanz der Verbraucher und Produktlebenszyklus von Machine Vision-Schnittstellen"

Um Ihnen einen noch besseren Überblick über den Produktlebenszyklus zu geben als in der obigen Tabelle dargestellt, haben wir auch das folgende Diagramm erstellt. Es zeigt die Phase des Produktlebenszyklus, in der sich jede Machine Vision-Schnittstelle befindet.

Einführung

Die ersten beiden Machine Vision Schnittstellen, die sich noch in der Einführungs- (und Entwicklungs-) phase befinden, sind die 10 GigE und N-BASE-T (5GigE) Produkte. Beide Machine Vision Kameras sind für hochgeschwindigkeits imaging geeignet und verwenden die handelsüblichen Cat6e Ethernet-Kabel, die auch mit normalen GigE Kameras verwendet werden. 10 GigE Vision hat etwa das 10-fache der Bandbreite von Standard GigE Vision Kameras, erfordert jedoch eine 10GigE Netzwerkkarte. 

Wachstum

Eine der Schnittstellen, die in der Wachstumsphase aufgeführt ist, ist Coaxpress. Diese Schnittstelle ähnelt 10 GigE und N-BASE-T, da sie für hochgeschwindigkeits imaging geeignet ist. Der Nachteil dieser Schnittstelle ist, dass ein Framegrabber zwingend erforderlich ist und sowohl die Framegrabber als auch die Coaxpress Kamera relativ teuer sind.

Reife

In der Reifephase sehen Sie zwei Machine Vision-Schnittstellen, die VA Imaging verkauft, nämlich GigE und USB 3.0. Der USB 3.0 Vision-Standard wurde 2011 gegründet und der GigE Vision-Standard 2006, beide gegründet von der Automated Imaging Association. Wir glauben, dass beide diese Machine Vision-Schnittstellen den Höhepunkt ihrer Reife erreicht haben und die Nachfrage momentan am höchsten ist. Wir erwarten, dass GigE noch mindestens 5 Jahre in der Reifephase bleibt und USB 3.0 sogar noch länger.

Abfall

Die letzten beiden Machine Vision-Schnittstellen, USB2 und Kamera Link, befinden sich in der Rückgangsphase. Aufgrund besserer Alternativen (USB 3.0 anstelle von USB2 und Coaxpress anstelle von Camera Link) sinkt die Nachfrage und wird in den nächsten Jahren weiter zurückgehen. USB2 hat eine sehr begrenzte Bandbreite und das Protokoll ist nicht so robust, was es nur für einen kleinen Bereich von Applikationen geeignet macht. Wenn jedoch die Machine Vision-Applikation sehr minimale Anforderungen hat, ist USB2 die beste Wahl in Bezug auf die Kosten. Kamera Link hat eine gute Bandbreite, ist aber im Vergleich zu Coaxpress, USB 3.0 und in Zukunft 10 GigE und N-BASE-T in Bezug auf die Bandbreite eine teure Option. Kamera Link Machine Vision-Kameras sind ebenfalls teuer und haben kostspielige Kabel.

Mehrere Machine Vision-Kameras

Beim Installieren mehrerer Machine Vision-Kameras auf einem Host-Controller ist es wichtig, die Nutzung Ihrer Bandbreite zu überwachen. Bei dieser Art von Setup ist in der Regel eine Schnittstellenkarte mit mehreren Eingängen erforderlich. Wir werden nur mehrere Machine Vision-Kamera-Setups für USB2, USB 3.0 und GigE behandeln.

Mehrere USB 3.0 Machine Vision Kameras

Beginnend mit USB 3.0 hat diese Machine Vision Schnittstelle eine hervorragende Kompatibilität für ein multiples Machine Vision Kamera. Sie können entweder ein Sternnetzwerk oder ein Punkt-zu-Punkt-Netzwerk für USB 3.0 verwenden. Bei Verwendung eines Sternnetzwerks sind mehrere Machine Vision-Kameras mit einem einzigen USB 3.0-Hub verbunden. Die USB 3.0 Bandbreite wird über die angeschlossenen USB 3.0 Machine Vision-Kameras aufgeteilt. Dies liegt daran, dass alle einzelnen USB 3.0 Machine Vision-Kameras von der einzelnen Bandbreite des Hosts, der mit dem USB 3.0-Hub verbunden ist, konsumieren.
Die zweite Option, ein USB 3.0 Punkt-zu-Punkt-Netzwerk, verbindet jede USB 3.0 Machine Vision Kamera direkt mit dem USB 3.0 Host-Controller. Die USB 3.0 Schnittstellenkarte kann bis zu vier Eingänge für USB 3.0 Host-Controller haben, wodurch es möglich ist, vier USB 3.0 Machine Vision Kameras an eine Schnittstellenkarte anzuschließen. Jede USB 3.0 Machine Vision Kamera kann nun die volle Bandbreite des USB 3.0 Protokolls nutzen.

Mehrere GigE Machine Vision Kameras

GigE, 5GigE und 10GigE Machine Vision-Kameras sind ebenfalls eine gute Option für ein multiples Machine Vision-Kamera. Mit hoher Flexibilität und kostengünstiger Verkabelung ist es ideal zur Überwachung von Förderbändern sowie für Sport- und Bewegungsanalysen mit mehreren Machine Vision-Kameras. Das Prinzip ist dasselbe wie bei USB 3.0-Kameras. Sie können sowohl ein Sternnetzwerk mit einem Ethernet-Switch als auch ein Punkt-zu-Punkt-Netzwerk mit einer Schnittstellenkarte mit mehreren GigE-Eingängen haben.

Mehrere USB2.0 Machine Vision Kameras

Die letzte Schnittstelle, die wir anbieten, USB2.0, ist am wenigsten geeignet für mehrere Machine Vision Kamera-Setups. Das bedeutet nicht, dass Sie keine mehreren USB2.0 Machine Vision-Kameras anschließen und verwenden können, sondern dass sie im Vergleich zu den anderen beiden die schlechteste Leistung erbringen wird. Auch hier sind beide Netzwerkoptionen (Stern- und Punkt-zu-Punkt) möglich, genau wie bei USB 3.0.

Wie wählt man eine Machine Vision Kamera Schnittstelle aus?

Bei der Auswahl einer Machine Vision Kamera geben wir Ihnen die folgenden Richtlinien:

• USB2.0 Machine Vision Kamera Schnittstelle ist die günstigste und einfachste der 3 Optionen. Dennoch sind Bandbreite und Kabellänge begrenzt. USB2.0 Machine Vision Kameras sind ideal für Applikationen, die maximal 1,3 MP bei 30 fps oder 5 MP bei 7 fps erfordern, mit einer Kabellänge von nicht mehr als 5 Metern.
• USB 3.0 Machine Vision Kamera Schnittstelle ist eine der schnellsten Schnittstellen, die wir Support, und sie benötigt die geringste Menge an Computerprozessorleistung. Daher ist sie ideal für hochauflösende und hochgeschwindigkeits imaging. Die Kabellänge hingegen ist auf 4,5 Meter begrenzt.
• GigE Vision Kamera-Schnittstelle wird häufig in Machine Vision Applikationen verwendet, die längere Kabelstrecken (zwischen 5 und 100 Metern) erfordern. Bandbreite ist durchschnittlich (zwischen USB2.0 und USB 3.0). Dies macht sie ideal für die meisten Machine Vision Applikationen. Sowohl 20MP vision-Kameras mit niedrigen Bildraten als auch niedrigauflösende vision-Kameras mit hohen Bildraten sind mit der GigE-Schnittstelle erhältlich.
• 5GigE Vision-Schnittstelle ist eine neue Machine Vision-Schnittstelle mit der gleichen Leistung wie USB 3.0. Die Vorteile im Vergleich zu USB 3.0 sind die langen Kabelwege (bis zu 100 m) und die Verwendung von günstigen Cat6e-Netzwerkkabeln. Allerdings benötigt diese Machine Vision Kamera-Schnittstelle mehr CPU-Leistung als USB 3.0.
• 10GigE Vision Kamera-Schnittstelle hat eine sehr hohe Bandbreite, was sie ideal für Kameras mit sehr hohen Auflösungen bei hohen Bildraten macht. Die Kabel sind kostengünstig und lange Kabellängen sind möglich. Diese Machine Vision Kamera-Schnittstelle benötigt einen 10GigE Framegrabber. Die Gesamtkosten für diese Maschinen Machine Vision Kamera-Schnittstelle sind höher als bei GigE, 5GigE und USB3.

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