Cómo seleccionar una interfaz de cámara de visión por máquina (USB3 / GigE / 5GigE / 10GigE Visión)?
Gaspar van Elmbt
Este artículo proporcionará una visión más profunda sobre los beneficios y desventajas de cada tipo de interfaz de cámara de visión por máquina, para que pueda seleccionar la interfaz adecuada para su aplicación de visión por máquina.
Table of contents
Whitepaper sobre la interfaz de cámara de visión por máquina
Este artículo proporcionará una visión más profunda sobre cuáles son los beneficios y desventajas de cada tipo de interfaz de cámara de visión por máquina, para que pueda seleccionar la interfaz adecuada para su aplicación de visión por máquina. Cabe señalar que VA Imaging solo suministra USB 2.0, USB 3.0, GigE, 5GigE y 10GigE cámaras de visión por máquina y el artículo se centrará principalmente en estas cinco interfaces industriales de visión por máquina. Sin embargo, en la tabla de la derecha también hemos incorporado otras interfaces para que la visión general de las interfaces de cámara de visión por máquina industrial sea completa.
¿Cuál es el ancho de banda de una interfaz de cámara de visión por máquina?
El primer tema que vamos a tratar es el ancho de banda de una cámara de visión por máquina interfaz. En términos sencillos, existe una forma de medir la cantidad de datos que se pueden enviar entre ordenadores durante un periodo específico. En el contexto de la visión por máquina, esto se refiere a la cantidad de datos de imagen que se pueden enviar desde la cámara de visión por máquina a un controlador host. Ancho de banda se mide en megabytes por segundo, lo que significa que una cámara de visión por máquina USB2.0 puede enviar datos de imagen equivalentes a 40 megabytes por segundo.
Esto también significa que una cámara de visión por máquina USB 3.0 interfaz (si se utiliza a plena capacidad) puede enviar datos de imagen equivalentes a 400 megabytes por segundo, lo que es aproximadamente 10 veces más que la interfaz de cámara de visión por máquina USB 2.0. Al enviar grandes cantidades de datos (gran uso de ancho de banda), también le cuesta más tiempo al ordenador procesar estos datos. Como resultado, el ordenador tarda más en reconstruir una imagen. Sin embargo, un gran ancho de banda hace que la transferencia de datos sea más rápida, permitiendo que el controlador host comience a calcular y reconstruir imágenes antes y más rápido. Esto suele ser necesario en aplicaciones de visión por máquina.
Factor de rendimiento para el ancho de banda de la interfaz de cámara de visión por máquina
El ancho de banda máximo de la interfaz de su cámara de visión por máquina es solo uno de los pocos factores que afectan el rendimiento final de transferencia de datos, lo que resulta en menos imágenes por segundo. La latencia, el jitter y la pérdida de paquetes pueden degradar su rendimiento de transferencia de datos, pero también la calidad de su cable puede hacer que haya menos ancho de banda disponible. Le recomendamos leer nuestras guías sobre cámaras de visión por máquina USB 3.0 o GigE, donde abordamos estos problemas.
Depende mucho de la aplicación de visión por máquina y de las limitaciones de su sistema qué ancho de banda se necesita. En general, se puede decir que si tiene una cámara de 2 megapíxeles, cada imagen es de 2 megabytes. Si su requerimiento especifica 10 imágenes por segundo, el ancho de banda requerido es 2x10=20 megabytes por segundo. Cada interfaz de cámara de visión por máquina puede cubrir este ancho de banda. Sin embargo, si el requerimiento es de 100 imágenes por segundo, necesita 2x100=200 megabytes por segundo de ancho de banda y solo permanecen las interfaces CameraLink, Coaxpress, USB 3.0, 5GigE y 10GigE de cámara de visión por máquina interface .
¿Cuál es la longitud máxima de cable para una interfaz de cámara de visión por máquina?
El segundo punto de discusión es la longitud máxima del cable de la interfaz de la cámara de visión por máquina. Estas longitudes máximas de cable indican qué longitud de cable le permite seguir trabajando con la máxima cantidad de ancho de banda. Hay cables USB 3.0, por ejemplo, que llegan hasta 25 metros, sin embargo este número supera ampliamente los 4,6 metros de los cables USB 3.0 de visión por máquina, lo que resulta en una gran pérdida de ancho de banda. El cableado varía según el grado de flexibilidad que desee y
influye en cuánto ancho de banda desea transferir. El precio típico del cableado es:
- El cable USB2 para cámara de visión por máquina cuesta entre 4 y 6 euros
- El cable USB 3.0 para cámara de visión por máquina cuesta entre 16 y 20 euros
- El cable GigE, 5GigE, 10GigE para cámara de visión por máquina cuesta entre 8 y 10 euros
Cuando la cámara de visión por máquina se monta en una plataforma móvil, se requiere un cable highflex. Este cable highflex es capaz de doblarse varias veces por segundo, todos los días durante muchos años. Los cables GigE Highflex son los cables highflex de visión por máquina más económicos. Comienzan en 50 euros.
¿Se requiere una tarjeta de adquisición para cámaras de visión por máquina USB 2.0, USB 3.0 y GigE?
Para las interfaces USB 2.0, USB 3.0, GigE y 5GigE, las cámaras no necesitan un frame grabber. Solo para las interfaces de visión por máquina como 10GigE, Camera Link, Firewire B y CoaXPress, un framegrabber es obligatorio. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que ‘frame grabber’ tiene una definición amplia y está sujeta a interpretación. Si un ordenador no dispone de suficientes puertos USB 3.0 o GigE, disponemos de una tarjeta de interfaz para ampliar la cantidad de puertos de interfaz USB 3.0 o GigE del ordenador. Esta tarjeta de interfaz también se denomina a veces framegrabber. Todas las tarjetas de interfaz / frame grabbers que ofrecemos han sido probadas con nuestras cámaras de visión por máquina para poder funcionar a pleno ancho de banda.
¿Cuál es el precio de una cámara de visión por máquina?
En cuanto a los cinco tipos de interfaces de cámara de visión por máquina que ofrecemos, 10GigE es la más cara y USB2, la cámara de visión más económica interfaz. Las cinco siguen siendo más baratas que Camera Link y las cámaras Coaxpress. Con el modelo de precios competitivo, los modelos más económicos están todos disponibles por menos de 100 €. Para poner esto en perspectiva, una tarjeta de adquisición de visión por máquina para Coaxpress cuesta alrededor de 500 € y una cámara Coaxpress sencilla cuesta alrededor de 1.000 €, sumando un total de 1.500 €. Esto la hace 10 veces más cara que la interfaz de cámara de visión por máquina USB 3.0. Por lo tanto, creemos que con las interfaces USB2, USB 3.0, GigE y 5GigE podemos cubrir la mayoría de las aplicaciones de visión por máquina convencionales.
¿Cuál es la carga de la CPU de la cámara de visión por máquina?
Cada interfaz de cámara de visión por máquina utiliza la potencia de la CPU para transferir las imágenes desde la interfaz hasta la memoria del procesador. La cantidad de potencia de CPU requerida se define como carga de CPU. USB 3.0 tiene una carga de CPU ‘baja’ en el controlador host, mientras que USB2 y GigE tienen una carga de CPU ‘media’. USB 3.0 tiene una carga de CPU baja porque utiliza un protocolo totalmente diferente al de USB2 y GigE, y este protocolo requiere menos recursos. Las interfaces de cámara de visión por máquina USB 3.0, GigE, 5GigE y 10GigE utilizan una interfaz de datos Unicast Dual-Simplex, que permite la transferencia de datos en ambas direcciones. Funciona mediante un procedimiento dirigido por el host que envía paquetes de ruta y notificaciones explícitamente de manera alocrónica.
Esto permite que la cámara de visión por máquina envíe un mensaje al controlador host cuando está lista para la transmisión de datos. Este mecanismo más reciente reduce la carga del sistema y de la CPU en comparación con el mecanismo de sondeo en USB2.0. Para aclarar, la interfaz de cámara de visión por máquina USB2.0 utiliza una transferencia de datos unidireccional, lo que resulta en la acumulación de más datos (paquetes de imagen) en la tarjeta de interfaz y en una mayor carga para la CPU. Una cámara de visión por máquina 5GigE también utiliza carga adicional de CPU. La cámara 5GigE envía imágenes con compresión sin pérdida a través de la interfaz ethernet de 1000mbit al ordenador. El ordenador debe descomprimir las imágenes, lo que resulta en una carga adicional de CPU.
En resumen, USB 3.0 tiene, con diferencia, el menor uso de CPU, GigE y 10GigE tienen un poco más de uso de CPU que USB 3.0. 5GigE y USB2 tienen el mayor uso de CPU.
Aceptación del consumidor y ciclo de vida del producto de las interfaces de visión por máquina
Para ofrecerle una visión aún más clara del ciclo de vida del producto que la proporcionada en la tabla anterior, también hemos elaborado el gráfico de la derecha. Este muestra la etapa del ciclo de vida del producto en la que se encuentra cada interfaz de visión por máquina.
Introducción
Las dos primeras interfaces de visión por máquina, que aún están en la etapa de introducción (y desarrollo), son los productos 10 GigE y N-BASE-T (5GigE). Ambas cámaras de visión por máquina son adecuadas para imágenes de alta velocidad utilizando los cables ethernet Cat6e comerciales que se usan con las cámaras GigE normales. 10 GigE Vision tiene aproximadamente 10 veces el ancho de banda de una cámara GigE Vision estándar, pero requiere una tarjeta de red 10GigE.
Crecimiento
Una de las interfaces que se encuentra en la fase de crecimiento es Coaxpress. Esta interfaz es similar a 10 GigE y N-BASE-T, ya que es adecuada para imágenes de alta velocidad. El inconveniente de esta interfaz es que un framegrabber es obligatorio y tanto los framegrabbers como la cámara Coaxpress son relativamente costosos.
Madurez
En la fase de madurez se observan dos interfaces de visión por máquina que comercializa VA Imaging, que son GigE y USB 3.0. El estándar USB 3.0 Vision se fundó en 2011 y el estándar GigE Vision en 2006, ambos fundados por la Automated Imaging Association. Creemos que ambas interfaces de visión por máquina han alcanzado el punto máximo de su madurez y la demanda está en su punto más alto actualmente. Esperamos que GigE permanezca en la fase de madurez al menos durante 5 años más y USB 3.0 incluso por más tiempo.
Declive
Las dos últimas interfaces de visión por máquina, USB2 y camera Link, se encuentran en la fase de declive. Debido a una mejor alternativa (USB 3.0 en lugar de USB2 y Coaxpress en lugar de CameraLink), la demanda está disminuyendo y seguirá disminuyendo en los próximos años. USB2 tiene un ancho de banda muy limitado y el protocolo no es tan robusto, por lo que solo es adecuado para un pequeño rango de aplicaciones. Sin embargo, cuando la aplicación de visión por máquina tiene requisitos mínimos, USB2 es la mejor opción en términos de costes. camera Link tiene un buen ancho de banda, pero es una opción costosa en comparación con Coaxpress, USB 3.0 y, en el futuro, 10 GigE y N-BASE-T en términos de ancho de banda. Las cámaras Camera link de visión por máquina también son caras y los cables son costosos.
Varias cámaras de visión por máquina
Al instalar varias cámaras de visión por máquina en un solo controlador anfitrión, es importante supervisar el uso de su ancho de banda. Utilizar este tipo de configuración normalmente requiere una tarjeta de interfaz con múltiples entradas. Solo cubriremos configuraciones de varias cámaras de visión por máquina para USB2, USB 3.0 y GigE.
Múltiples cámaras de visión por máquina USB 3.0
Comenzando con USB 3.0, esta interfaz de visión por máquina tiene una excelente compatibilidad para un sistema con múltiples cámaras de visión por máquina. Puede utilizar tanto una red en estrella como una red punto a punto para USB 3.0. Al utilizar una red en estrella, varias cámaras de visión por máquina se conectan a un solo hub USB 3.0. El ancho de banda USB 3.0 se dividirá entre las cámaras de visión por máquina USB 3.0 conectadas. Esto se debe a que todas las cámaras de visión por máquina USB 3.0 individuales consumen del único ancho de banda del host conectado al hub USB 3.0.
En la segunda opción, una red punto a punto USB 3.0, conectará cada cámara de visión por máquina USB 3.0 directamente al controlador host USB 3.0. La tarjeta de interfaz USB 3.0 puede tener hasta cuatro entradas de controlador host USB 3.0, lo que nos permite conectar cuatro cámaras de visión por máquina USB 3.0 a una sola tarjeta de interfaz. Cada cámara de visión por máquina USB 3.0 puede ahora utilizar todo el ancho de banda del protocolo USB 3.0.
Múltiples cámaras de visión por máquina GigE
Las cámaras de visión por máquina GigE, 5GigE y 10GigE también son una buena opción para un sistema con múltiples cámaras de visión por máquina. Con una gran flexibilidad y cableado económico, es ideal para la monitorización de cintas transportadoras y el análisis deportivo y de movimiento con varias cámaras de visión por máquina. El principio es el mismo que con las cámaras USB 3.0. Puede tener tanto una red en estrella utilizando un switch ethernet como una red punto a punto utilizando una tarjeta de interfaz con múltiples entradas GigE.
Múltiples cámaras de visión por máquina USB2.0
La última interfaz que ofrecemos, USB2.0, es la menos adecuada para configuraciones con múltiples cámaras de visión por máquina. Esto no significa que no pueda conectar y utilizar varias cámaras de visión por máquina USB2.0, sino que su rendimiento será el peor de las tres opciones. Nuevamente, ambas opciones de red (estrella y punto a punto) son posibles, al igual que con USB 3.0.
¿Cómo seleccionar una interfaz de cámara de visión por máquina?
Al seleccionar una interfaz para una cámara de visión por máquina, le proporcionamos las siguientes directrices:
- La interfaz de cámara USB2.0 de visión por máquina es la más económica y fácil de usar de las 3 opciones. Sin embargo, el ancho de banda y la longitud del cable son limitados. Las cámaras de visión por máquina USB2.0 son ideales para aplicaciones que requieren un máximo de 1,3MP a 30fps o 5MP a 7fps, con una longitud de cable que no exceda los 5 metros.
- La interfaz de cámara USB 3.0 de visión por máquina es una de las interfaces más rápidas que soportamos y utiliza la menor cantidad de potencia del procesador del ordenador. Por lo tanto, es ideal para imágenes de alta resolución y alta velocidad. Por otro lado, la longitud del cable está limitada a 4,5 metros.
- La interfaz de cámara GigE Visión se utiliza a menudo en aplicaciones de visión por máquina que requieren longitudes de cable más largas (entre 5 y 100 metros). El ancho de banda es medio (entre USB2.0 y USB 3.0). Esto la hace ideal para la mayoría de las aplicaciones de visión por máquina. Tanto cámaras de visión de 20MP con bajas velocidades de fotogramas como cámaras de visión de baja resolución con altas velocidades de fotogramas están disponibles con la interfaz GigE.
- La interfaz 5GigE Visión es una nueva interfaz de visión por máquina con el mismo rendimiento que USB 3.0. Las ventajas frente a USB 3.0 son las longitudes de cable más largas (hasta 100 m) y el uso de cables de red Cat6e económicos. Sin embargo, esta interfaz de cámara de visión por máquina utiliza más potencia de CPU que USB 3.0.
- La interfaz de cámara 10GigE Visión tiene un ancho de banda muy alto, lo que la hace ideal para cámaras de muy alta resolución a altas velocidades de fotogramas. Los cables son económicos y es posible utilizar cables largos. Esta interfaz de cámara de visión por máquina requiere un framegrabber 10GigE. El coste total de esta interfaz de cámara de visión por máquina es superior al de GigE, 5GigE y USB3.
