Welche Kameraschnittstelle ist die richtige für Ihr Vision-System?
Vergleichen Sie die Vorteile und Einschränkungen verschiedener Schnittstellen für Machine Vision Kameras und erfahren Sie, wie Sie die richtige Schnittstelle für Ihre Vision Anwendung auswählen.
MACHINE VISION-KAMERA INTERFACE WHITEPAPER
Dieser Artikel vergleicht die wichtigsten Vorteile und Einschränkungen verschiedener Kameraschnittstellen, um Ihnen bei der Auswahl der am besten geeigneten Option für Ihre Vision-Anwendung zu helfen.
VA Imaging liefert Kameras mit USB2.0-, USB 3.0-, GigE- und 5GigE- und 10GigE-Schnittstellen. Daher konzentriert sich der Artikel hauptsächlich auf diese fünf Optionen. Die Vergleichstabelle enthält außerdem mehrere weitere Schnittstellen für Industriekameras, um einen umfassenderen Überblick über die verfügbaren Technologien zu geben.
WELCHE Bandbreite HAT EIN MACHINE VISION-KAMERA Schnittstelle?
Der erste Faktor, der beim Vergleich von Kamera-Schnittstellen zu berücksichtigen ist, ist die Bandbreite. Die Bandbreite beschreibt, wie viele Daten innerhalb eines bestimmten Zeitraums übertragen werden können. In einem Vision-System bezieht sich dies auf die Menge an Bilddaten, die von der Kamera zum Host-Controller übertragen werden kann.
Die Bandbreite wird üblicherweise in Megabyte pro Sekunde (MB/s) angegeben. Beispielsweise bietet USB 2.0 wesentlich weniger verfügbare Bandbreite als USB 3.0. In der Praxis bedeutet dies, dass eine Schnittstelle mit höherer Bandbreite größere Mengen an Bilddaten in kürzerer Zeit übertragen kann.
Eine höhere Bandbreite wird besonders wichtig, wenn mit hohen Auflösungen, hohen Bildraten oder anderen Anwendungen gearbeitet wird, die große Mengen an Bilddaten erzeugen. Die verfügbare Schnittstellenbandbreite spielt daher eine wichtige Rolle bei der Auswahl einer geeigneten Verbindung für ein Vision-System.
Leistungsfaktor für die Bandbreite der Machine Vision Kamera-Schnittstelle
Die maximale Bandbreite einer Schnittstelle ist nur ein Faktor, der den tatsächlichen Datendurchsatz eines Vision-Systems bestimmt. Latenz, Jitter, Paketverlust, Kabelqualität, System-Overhead und Verarbeitungsleistung können den in der Praxis verfügbaren effektiven Durchsatz verringern.
Die erforderliche Bandbreite hängt von der Anwendung ab, einschließlich Faktoren wie Auflösung, Bildrate, Bittiefe und Pixelformat. Eine höhere Auflösung oder Bildrate erhöht die Menge der zu übertragenden Bilddaten.
Beispielsweise benötigt ein System, das mit 10 Bildern pro Sekunde arbeitet, deutlich weniger Bandbreite als derselbe Aufbau mit 100 Bildern pro Sekunde. Anwendungen mit höheren Datenanforderungen können daher Schnittstellen wie USB 3.0, 5GigE, 10GigE, Camera Link oder CoaXPress erfordern.
Berücksichtigen Sie beim Vergleich von Schnittstellen sowohl die theoretische Bandbreite als auch den tatsächlichen Durchsatz, der innerhalb des vollständigen Vision-Systems erreicht werden kann.
Wie groß ist die maximale Kabellänge für jede Kameraschnittstelle?
Der zweite zu berücksichtigende Faktor ist die maximale praktische Kabellänge jeder Kameraschnittstelle. Die Kabellänge kann die Signalqualität und die zuverlässig aufrechterhaltbare Datenrate beeinflussen. Daher sollte bei der Auswahl einer Schnittstelle der erforderliche Abstand zwischen der Kamera und dem Host-System berücksichtigt werden.
Beispielsweise kann USB 3.0 mit speziellen Kabellösungen über größere Entfernungen eingesetzt werden, jedoch können längere Kabelstrecken aktive oder spezialisierte Verkabelungen erfordern, um eine zuverlässige Leistung aufrechtzuerhalten. GigE-basierte Schnittstellen eignen sich im Allgemeinen besser für längere Übertragungsdistanzen.
Die Kabelauswahl hängt außerdem von der erforderlichen Flexibilität, der Installationsumgebung und der zu erwartenden Bewegung ab. Typische Kabelpreise liegen bei etwa:
- USB 2.0-Kabel: €4–€6
- USB 3.0-Kabel: €16–€20
- GigE-, 5GigE- oder 10GigE-Kabel: €8–€10
Wenn die Kamera auf einem beweglichen System installiert ist, kann ein hochflexibles Kabel erforderlich sein. Diese Kabel sind dafür ausgelegt, wiederholtem Biegen über lange Betriebszeiten standzuhalten. GigE-Hochflexkabel gehören häufig zu den kostengünstigeren Optionen, mit Preisen ab etwa €50.
Welche Kameraschnittstellen erfordern einen Framegrabber?
USB 2.0-, USB 3.0-, GigE- und 5GigE-Schnittstellen erfordern in der Regel keinen Framegrabber. Die Kamera kann direkt an eine kompatible Schnittstelle des Host-Computers angeschlossen werden.
Schnittstellen wie Camera Link und CoaXPress erfordern jedoch in der Regel dedizierte Erfassungshardware, um die Bilddaten zu empfangen und zu verarbeiten.
Der Begriff Framegrabber wird manchmal weiter gefasst verwendet. Wenn ein Computer beispielsweise nicht über ausreichend USB 3.0- oder GigE-Anschlüsse verfügt, kann eine zusätzliche Schnittstellenkarte installiert werden, um die Anzahl der verfügbaren Anschlüsse zu erhöhen. Diese Erweiterungskarten werden gelegentlich als Framegrabber bezeichnet, obwohl ihre Funktion sich von der eines herkömmlichen Framegrabbers unterscheidet, der mit Schnittstellen wie Camera Link oder CoaXPress verwendet wird.
Die von uns angebotenen Schnittstellenkarten sind auf Kompatibilität und zuverlässigen Betrieb mit unterstützten Kamerasystemen bei den erforderlichen Datenraten getestet.
Kamerapreise nach Schnittstelle
Die Kameraschnittstelle kann erhebliche Auswirkungen auf die Gesamtsystemkosten haben. Unter den in diesem Artikel behandelten Schnittstellenoptionen ist USB 2.0 im Allgemeinen die kostengünstigste, während leistungsstärkere Schnittstellen wie 10GigE tendenziell teurer sind.
Die Gesamtkosten sollten auch zusätzliche Hardware berücksichtigen, die für die Bilderfassung erforderlich ist. Schnittstellen wie Camera Link und CoaXPress erfordern in der Regel dedizierte Bilderfassungshardware, wodurch sich der Gesamtpreis des Systems erheblich erhöhen kann.
Für viele gängige Vision Anwendungen bieten Schnittstellen wie USB 2.0, USB 3.0, GigE und 5GigE ein praktisches Gleichgewicht zwischen Leistung, Integrationsanforderungen und Kosten. Schnittstellen mit höherer Bandbreite können relevanter werden, wenn die Anwendung sehr hohe Datenraten, Auflösungen oder Bildraten erfordert.
CPU-Auslastung durch die Kameraschnittstelle
Die Kameraschnittstelle kann beeinflussen, wie viel Rechenleistung für die Übertragung von Bilddaten an das Host-System erforderlich ist. Dies wird allgemein als CPU-Auslastung bezeichnet.
Die CPU-Auslastung hängt nicht nur von der Schnittstelle selbst ab, sondern auch von Faktoren wie dem Treiber, der Datenrate, den Anforderungen an die Bildverarbeitung, der Netzwerkkonfiguration und der Leistung des Host-Computers.
Im Allgemeinen kann USB 3.0 eine relativ effiziente Datenübertragung mit geringer Belastung des Host-Systems ermöglichen. Ethernet-basierte Schnittstellen wie GigE, 5GigE und 10GigE können zusätzliche Verarbeitung für die Netzwerkkommunikation und Paketverarbeitung erfordern, insbesondere bei höheren Datenraten.
USB 2.0 kann das Host-System bei der Übertragung großer Mengen an Bilddaten stärker belasten, während Schnittstellen mit höheren Geschwindigkeiten mehr Daten übertragen können, ohne die CPU-Auslastung zwingend proportional zu erhöhen.
Einige Implementierungen können außerdem Komprimierung oder zusätzliche Verarbeitung vor oder nach der Übertragung verwenden. In diesen Fällen können Dekomprimierung oder andere Verarbeitungsschritte die CPU-Auslastung auf dem Host-Computer erhöhen.
Beim Vergleich von Schnittstellen sollte die CPU-Auslastung daher zusammen mit Bandbreite, Bildrate, Auflösung, Treiber-Support und den Verarbeitungsfähigkeiten des gesamten Vision-Systems bewertet werden, anstatt sie als feste Eigenschaft der Schnittstelle allein zu betrachten.
Einführung von Kameraschnittstellen und Produktlebenszyklus
Für einen klareren Überblick über den Produktlebenszyklus zeigt die Grafik den aktuellen Reifegrad jeder in diesem Artikel behandelten Kameraschnittstelle. Sie bietet einen visuellen Vergleich dazu, wie etabliert die verschiedenen Schnittstellentechnologien auf dem Markt sind.
Einführung
Zu den neueren Schnittstellentechnologien in diesem Vergleich gehören 10GigE und 5GigE (NBASE-T). Beide sind für Anwendungen ausgelegt, die höhere Datenraten erfordern und Ethernet-basierte Verkabelung nutzen können. Im Vergleich zu Standard-GigE bieten diese Schnittstellen deutlich mehr Bandbreite, wobei das Hostsystem auch die erforderliche Netzwerkverbindung unterstützen muss.
Wachstum
CoaXPress wird häufig in leistungsstarken Bildgebungsanwendungen eingesetzt, bei denen sehr hohe Datenraten erforderlich sind. Ein wichtiger Aspekt ist, dass es typischerweise dedizierte Bilderfassungshardware erfordert, was die Gesamtsystemkosten im Vergleich zu Schnittstellen erhöht, die direkt mit dem Hostcomputer verbunden werden.
Reifegrad
GigE und USB 3.0 sind etablierte Schnittstellen mit breiter Verbreitung in industriellen Vision-Systemen. Beide werden seit vielen Jahren eingesetzt und von einer breiten Palette an Kameras, Software und Systemkomponenten unterstützt.
Ihr fortgesetzter Einsatz wird weitgehend durch eine Kombination aus Leistung, Verfügbarkeit, Kompatibilität und Integrationsflexibilität bestimmt.
Rückgang
Ältere Schnittstellen wie USB 2.0 und Camera Link werden in neuen Systemdesigns zunehmend durch neuere Alternativen ersetzt, die eine höhere Bandbreite oder eine einfachere Integration bieten.
USB 2.0 eignet sich weiterhin für Anwendungen mit relativ geringem Datenbedarf, bei denen die Kosten ein wichtiger Faktor sind. Camera Link kann weiterhin eine hohe Leistung bieten, erfordert jedoch typischerweise dedizierte Bilderfassungshardware und spezialisierte Verkabelung, wodurch alternative Schnittstellen für viele Neuinstallationen attraktiver werden können.
Die am besten geeignete Schnittstelle hängt letztlich von der erforderlichen Bandbreite, Kabellänge, Systemarchitektur, den Kosten und der langfristigen Verfügbarkeit ab.
Verwendung mehrerer Kameras in einem Vision-System
Beim Anschluss mehrerer Kameras an einen einzigen Host-Controller ist es wichtig, die insgesamt verfügbare Bandbreite und deren Aufteilung zwischen den angeschlossenen Geräten zu berücksichtigen.
Abhängig von der Systemkonfiguration kann eine zusätzliche Schnittstellenkarte mit mehreren Ports erforderlich sein. In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns auf Mehrkamerakonfigurationen mit USB 2.0-, USB 3.0- und GigE-Schnittstellen.
Mehrere Kameras mit USB 3.0
USB 3.0 kann effektiv in Mehrkamera-Systemen eingesetzt werden. Kameras können über einen gemeinsamen USB-3.0-Hub oder direkt an separate Host-Controller-Ports angeschlossen werden.
Bei Verwendung eines gemeinsamen Hubs wird die verfügbare Bandbreite zwischen den angeschlossenen Kameras aufgeteilt, da sie dieselbe Upstream-Verbindung zum Host nutzen.
Bei einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration wird jede Kamera direkt an einen dedizierten USB-3.0-Host-Controller-Port angeschlossen. Dies kann je nach Schnittstellenkarte und Host-Systemarchitektur eine höhere Bandbreite pro Kamera bereitstellen.
Mehrere Kameras mit GigE
GigE, 5GigE und 10GigE eignen sich ebenfalls für Mehrkamera-Systeme, insbesondere wenn flexible Verkabelung und längere Übertragungsdistanzen wichtig sind.
Mehrere Kameras können über einen Ethernet-Switch oder direkt an separate Netzwerkschnittstellen-Ports angeschlossen werden. Die verfügbare Bandbreite hängt von der Netzwerktopologie, der Schnittstellengeschwindigkeit und der Verteilung des Datenverkehrs im System ab.
Mehrere Kameras mit USB 2.0
USB 2.0 kann mehrere Kameras unterstützen, ist jedoch aufgrund der geringeren verfügbaren Bandbreite weniger für anspruchsvolle Mehrkamera-Anwendungen geeignet.
Wie bei USB 3.0 können Kameras über einen gemeinsamen Hub oder direkt an separate Host-Controller-Ports angeschlossen werden. Für Anwendungen mit höheren Auflösungen oder Bildraten ist im Allgemeinen eine Schnittstelle mit höherer Bandbreite besser geeignet.
So wählen Sie die richtige Kameraschnittstelle aus
Bei der Auswahl einer Kameraschnittstelle sollten die erforderliche Bandbreite, Kabellänge, Bildrate, Auflösung, Systemarchitektur und Gesamtkosten berücksichtigt werden.
- USB 2.0: Eine kosteneffiziente Option für Anwendungen mit relativ geringem Bandbreitenbedarf. Die wichtigsten Einschränkungen sind niedrigere Datenraten und kürzere praktische Kabellängen im Vergleich zu neueren Schnittstellen.
- USB 3.0: Bietet hohe Bandbreite und effiziente Datenübertragung und eignet sich daher für Anwendungen mit höheren Auflösungen oder Bildraten. Die Standardlängen passiver Kabel sind relativ begrenzt, obwohl spezielle Verkabelungen die Verbindungsdistanz verlängern können.
- GigE: Gut geeignet für Anwendungen, die längere Kabellängen erfordern. Es bietet ein praxisgerechtes Gleichgewicht zwischen Bandbreite, Installationsflexibilität und Kosten und eignet sich daher für eine breite Palette von Vision-Systemen.
- 5GigE: Bietet wesentlich mehr Bandbreite als Standard-GigE und behält gleichzeitig die Vorteile Ethernet-basierter Verkabelung und längerer Übertragungsdistanzen bei. Das Hostsystem muss die erforderliche Netzwerkgeschwindigkeit unterstützen, um die verfügbare Bandbreite nutzen zu können.
- 10GigE: Entwickelt für Anwendungen mit sehr hohen Datenanforderungen, wie hochauflösendes Imaging bei höheren Bildraten. Es bietet deutlich mehr Bandbreite als Standard-GigE, erfordert jedoch in der Regel kompatible 10GigE-Netzwerkhardware, was die Gesamtkosten des Systems erhöhen kann.
Die beste Schnittstelle hängt letztlich von den vollständigen Systemanforderungen und nicht allein von der Bandbreite ab. Kabellänge, Anzahl der Kameras, Hostkompatibilität, Verarbeitungsanforderungen und zukünftige Skalierbarkeit sollten vor der endgültigen Auswahl berücksichtigt werden.