Hoe selecteer je een machine vision camera interface (USB3 / GigE / 5GigE / 10GigE Vision)?
Gaspar van Elmbt
In dit artikel gaan we dieper in op de voor- en nadelen van elk type machine vision camera-interface, zodat u de juiste interface voor uw machine vision-toepassing kunt selecteren.
Table of contents
Whitepaper over de interface van een machine vision-camera
Dit artikel zal dieper ingaan op de voor- en nadelen van elk type machine vision camera-interface, zodat u de juiste interface voor uw machine vision-toepassing kunt selecteren. Opgemerkt moet worden dat VA Imaging alleen USB 2.0, USB 3.0, GigE, 5GigE en 10GigE machine vision camera's levert en het artikel zal zich voornamelijk richten op deze vijf industriële machine vision interfaces. In de tabel aan de rechterkant hebben we echter ook andere interfaces opgenomen om het overzicht van industriële machine vision camera-interfaces compleet te maken.
Wat is de bandbreedte van een machine vision camera-interface?
Het eerste onderwerp dat we zullen bespreken is de bandbreedte van een machine vision camera interface. Simpel gezegd is er een manier om de hoeveelheid data te meten die tussen computers kan worden verzonden gedurende een specifieke periode. Binnen machine vision betreft dit de hoeveelheid beelddata die kan worden verzonden van de machine vision camera naar een host controller. Bandbreedte wordt gemeten in megabytes per seconde, wat betekent dat een USB 2.0 machine vision camera beelddata kan verzenden die gelijk is aan 40 megabyte per seconde.
Dit betekent ook dat een USB 3.0 machine vision camera interface (indien gebruikt op volledige capaciteit) beelddata kan verzenden die gelijk is aan 400 megabyte per seconde, wat ongeveer 10 keer meer is dan een USB 2.0 machine vision camera interface. Bij het verzenden van grote hoeveelheden data (groot bandbreedtegebruik), kost het de computer ook meer tijd om deze data te verwerken. Als gevolg hiervan duurt het langer voordat de computer een beeld reconstrueert. Een grote bandbreedte zorgt er echter voor dat de data-overdracht sneller gaat, waardoor de host controller eerder en sneller kan beginnen met het berekenen en reconstrueren van beelden. Dit is vaak vereist in machine vision-toepassingen.
Prestatiefactor voor bandbreedte van machine vision camera-interface
De maximale bandbreedte
van uw machine vision camera-interface is slechts een van de weinige factoren die de uiteindelijke gegevensdoorvoer beïnvloeden, wat resulteert in minder beelden per seconde. Latentie, jitter en pakketverlies kunnen uw gegevensdoorvoer verslechteren, maar ook de kwaliteit van uw kabel kan minder bandbreedte beschikbaar maken. We raden u aan onze handleidingen over USB 3.0 of GigE machine vision camera's te lezen, waarin we deze problemen aanpakken.
Het is erg afhankelijk van de machine vision-toepassing en de beperkingen van uw systeem welke bandbreedte nodig is. Over het algemeen kunt u zeggen dat als u een 2Megapixel-camera hebt, elk beeld 2 Megabyte is. Als uw vereiste 10 beelden per seconde specificeert, is de vereiste bandbreedte 2x10=20 megabyte per seconde. Elke machine vision camera-interface kan deze bandbreedte dekken. Als de vereiste echter 100 beelden per seconde is, hebt u 2x100=200 megabyte per seconde bandbreedte nodig en blijven alleen CameraLink, Coaxpress, USB 3.0, 5GigE en 10GigE machine vision camera-interface over.
Wat is de maximale kabellengte voor een machine vision camera-interface?
Het tweede discussiepunt is de maximale kabellengte van de machine vision camera-interface. Deze maximale kabellengtes geven aan met welke kabellengte u nog steeds met de maximale bandbreedte kunt werken. Er zijn bijvoorbeeld USB 3.0-kabels die tot 25 meter gaan, maar dit aantal overschrijdt ruimschoots de 4,6 meter machine vision USB 3.0-kabels, wat resulteert in een groot verlies aan bandbreedte. Bekabeling varieert afhankelijk van de mate van flexibiliteit die u wenst en beïnvloedt hoeveel bandbreedte u wilt overdragen. Typische prijzen voor bekabeling zijn:
- USB2-kabel voor machine vision camera kost tussen de 4 en 6 euro
- USB 3.0-kabel voor machine vision camera kost tussen de 16 en 20 euro
- GigE, 5GigE, 10GigE-kabel voor machine vision camera kost tussen de 8 en 10 euro
Wanneer de machine vision camera op een bewegend platform is gemonteerd, is een highflex-kabel vereist. Deze highflex-kabel kan meerdere keren per seconde buigen, elke dag gedurende vele jaren. GigE Highflex-kabels zijn de goedkoopste machine vision highflex kabels. Ze beginnen bij 50 euro.
Is een framegrabber vereist voor USB 2.0-, USB 3.0- en GigE-machine vision-camera's?
Voor de interfaces USB 2.0, USB 3.0, GigE en 5GigE hebben de camera's geen framegrabber nodig. Alleen voor de machine vision interfaces zoals 10GigE, camera Link, Firewire B en Coaxpress is een framegrabber verplicht. Er moet echter worden opgemerkt dat 'framegrabber' een brede definitie heeft en onderhevig is aan interpretatie. Als een computer niet genoeg USB 3.0 of GigE poorten heeft, hebben we een interfacekaart om het aantal USB 3.0 of GigE interfacepoorten van de computer uit te breiden. Deze interfacekaart wordt ook wel eens een framegrabber genoemd. Alle interfacekaarten / framegrabbers die wij aanbieden, worden getest met onze machine vision camera's om op volledige bandbreedte te kunnen draaien.
Hoeveel kost een machine vision camera?
Wat betreft de vijf typen machine vision camera-interfaces die wij aanbieden, is 10GigE de duurste en USB2 de goedkoopste vision camera-interface. Alle vijf zijn nog steeds goedkoper dan camera Link en Coaxpress camera's. Met het concurrerende prijsmodel zijn de goedkoopste modellen allemaal beschikbaar voor minder dan € 100. Om dit in perspectief te plaatsen, een machine vision frame grabber voor Coaxpress kost ongeveer € 500 en een eenvoudige Coaxpress camera kost ongeveer € 1000, bij elkaar opgeteld is dit € 1500. Dit maakt het 10x duurder dan USB 3.0 machine vision camera-interface. Daarom geloven wij dat we met de USB2-, USB 3.0-, GigE- en 5GigE-interface de meeste gangbare machine vision-toepassingen kunnen dekken.
Hoeveel bedraagt de CPU-belasting van de machine vision-camera?
Elke machine vision camera interface gebruikt CPU-vermogen om de beelden van de interface naar het geheugen van de processor over te brengen. De hoeveelheid CPU-vermogen die nodig is, wordt gedefinieerd als CPU-belasting. USB 3.0 heeft een 'lage' CPU-belasting op de hostcontroller, terwijl USB2 en GigE een 'gemiddelde' CPU-belasting hebben. USB 3.0 heeft een lage CPU-belasting omdat het gebruikmaakt van een totaal ander protocol dan USB2 en GigE en dit protocol minder bronnen nodig heeft. USB 3.0, GigE, 5GigE en 10GigE machine vision camera interface gebruiken een Unicast Dual-Simplex data-interface. Deze interface maakt de overdracht van gegevens in beide richtingen mogelijk. Het werkt waarbij een hostgestuurde procedure routepakketten en meldingen expliciet op een allochrone manier verzendt.
Hierdoor kan de machine vision camera een bericht naar de hostcontroller sturen wanneer deze klaar is voor gegevensoverdracht. Dit nieuwere mechanisme vermindert de systeem- en CPU-belasting in vergelijking met het pollingmechanisme in USB 2.0. Ter verduidelijking: de USB 2.0 machine vision camera interface maakt gebruik van eenrichtingsdataoverdracht, wat resulteert in het stapelen van meer data (image packets) op de interfacekaart en meer werk op de CPU. Een 5GigE machine vision camera gebruikt ook extra CPU-belasting. De 5GigE camera stuurt beelden met verliesloze compressie via de 1000mbit ethernet interface naar de computer. De computer moet de beelden decomprimeren, wat resulteert in een extra CPU-belasting.
Samenvattend: USB 3.0 heeft veruit het laagste CPU-gebruik, GigE en 10GigE hebben iets meer CPU-gebruik dan USB 3.0. 5GigE en USB2 hebben het hoogste CPU-gebruik.
Consumentenacceptatie en productlevenscyclus van machine vision-interfaces
Om u een nog beter overzicht te geven van de productlevenscyclus dan in de bovenstaande tabel, hebben we ook de grafiek rechts getekend. Deze toont de fase van de productlevenscyclus waarin elke machine vision interface zich bevindt.
Introduction
De eerste twee machine vision interfaces, die zich nog in de fase van introductie (en ontwikkeling) bevinden, zijn de 10 GigE en N-BASE-T (5GigE) producten. Beide machine vision camera's zijn geschikt voor high-speed imaging met behulp van de commerciële Cat6e ethernetkabels die worden gebruikt met normale GigE camera's. 10 GigE Vision heeft ongeveer 10x de bandbreedte van een standaard GigE Vision camera, maar vereist een 10GigE netwerkkaart.
Growth
Een van de interfaces die in de groeifase wordt genoemd, is Coaxpress. Deze interface is vergelijkbaar met 10 GigE en N-BASE-T, omdat deze geschikt is voor high-speed imaging. Het nadeel van deze interface is dat een framegrabber verplicht is en dat zowel de framegrabbers als de Coaxpress-camera relatief duur zijn.
Maturity
In de volwassenheidsfase zie je twee machine vision interfaces die VA Imaging verkoopt, namelijk GigE en USB 3.0. De USB 3.0 Vision-standaard werd opgericht in 2011 en de GigE Vision-standaard in 2006, beide opgericht door de Automated Imaging Association. Wij geloven dat beide machine vision interfaces het hoogtepunt van hun volwassenheid hebben bereikt en dat de vraag momenteel het hoogst is. Wij verwachten dat GigE nog minstens 5 jaar in de volwassenheidsfase zal blijven en USB 3.0 zelfs nog langer.
Decline
De laatste twee machine vision interfaces, USB2 en Camera Link, bevinden zich in de neergangsfase. Door een beter alternatief (USB 3.0 in plaats van USB2 en Coaxpress in plaats van CameraLink) is en blijft de vraag de komende jaren dalen. USB2 heeft een zeer beperkte bandbreedte en het protocol is niet zo robuust, waardoor het alleen geschikt is voor een klein aantal toepassingen. Echter, wanneer de machine vision applicatie zeer minimale vereisten heeft, is USB2 de beste keuze wat betreft kosten. Camera Link heeft een goede bandbreedte, maar het is een dure optie vergeleken met Coaxpress, USB 3.0 en in de toekomst 10 GigE en N-BASE-T in termen van bandbreedte. Camera link machine vision camera's zijn ook duur en hebben prijzige kabels.
Meerdere machine vision-camera's
Bij het installeren van meerdere machine vision camera's op één host controller is het belangrijk om uw bandbreedtegebruik te monitoren. Voor dit soort setups is doorgaans een interfacekaart met meerdere ingangen nodig. We zullen alleen setups met meerdere machine vision camera's voor USB2, USB 3.0 en GigE behandelen.
Meerdere USB 3.0 machine vision-camera's
Beginnnend met USB 3.0, deze machine vision interface heeft een uitstekende compatibiliteit voor een systeem met meerdere machine vision camera's. U kunt een sternetwerk of een point-to-point netwerk gebruiken voor USB 3.0. Bij gebruik van een sternetwerk worden meerdere machine vision camera's aangesloten op één USB 3.0 hub. De USB 3.0 bandbreedte wordt verdeeld over de aangesloten USB 3.0 machine vision camera's. Dit komt omdat alle individuele USB 3.0 machine vision camera's verbruiken van de enkele bandbreedte van de host die is aangesloten op de USB 3.0 hub.
Bij de tweede optie, een USB 3.0 point-to-point netwerk, sluit u elke USB 3.0 machine vision camera rechtstreeks aan op de USB 3.0 host controller. De USB 3.0 interfacekaart kan maximaal vier USB 3.0 host controller ingangen hebben, waardoor we vier USB 3.0 machine vision camera's op één interfacekaart kunnen aansluiten. Elke USB 3.0 machine vision camera kan nu de volledige bandbreedte van het USB 3.0 protocol gebruiken.
Meerdere GigE machine vision-camera's
GigE, 5GigE en 10GigE machine vision camera's zijn ook een goede optie voor een systeem met meerdere machine vision camera's. Met hoge flexibiliteit en goedkope bekabeling is het ideaal voor het monitoren van transportbanden en sport- en bewegingsanalyse met meerdere machine vision camera's. Het principe is hetzelfde als bij USB 3.0 camera's. U kunt zowel een sternetwerk hebben met behulp van een ethernetswitch of een point-to-point netwerk met behulp van een interfacekaart met meerdere GigE-ingangen.
Meerdere USB 2.0 machine vision camera's
De laatste interface die we aanbieden, USB 2.0, is het minst geschikt voor meerdere machine vision camera-opstellingen. Dit betekent niet dat u geen meerdere USB 2.0 machine vision camera's kunt aansluiten en gebruiken, maar betekent dat deze als slechtste van de drie zal presteren. Nogmaals, beide netwerkopties (ster en point-to-point) zijn mogelijk, net als USB 3.0.
Hoe selecteer ik een machine vision camera-interface?
Bij het selecteren van een interface voor een machine vision camera bieden wij u de volgende richtlijnen:
- USB 2.0 machine vision camera interface is de goedkoopste en gemakkelijkste te gebruiken van alle 3 opties. Desalniettemin zijn de bandbreedte en kabellengte beperkt. USB 2.0 machine vision camera's zijn ideaal voor toepassingen die maximaal 1,3 MP bij 30 fps of 5 MP bij 7 fps vereisen, met een kabellengte die niet langer is dan 5 meter.
- De USB 3.0 machine vision camera interface is een van de snelste interfaces die wij ondersteunen en gebruikt de minste hoeveelheid computerprocessorvermogen. Daarom is het ideaal voor hoge resolutie en hoge snelheid beeldvorming. De kabellengte is daarentegen beperkt tot 4,5 meter.
- De GigE Vision camera interface wordt vaak gebruikt in machine vision toepassingen, die langere kabellengtes vereisen (tussen 5 en 100 meter). De bandbreedte is gemiddeld (tussen USB2.0 en USB 3.0). Dit maakt het ideaal voor de meeste machine vision toepassingen. Zowel 20MP vision camera's met lage framerates als low-resolution vision camera's met hoge framerates zijn beschikbaar met de GigE interface.
- 5GigE Vision interface is een nieuwe machine vision interface met dezelfde prestaties als USB 3.0. De voordelen ten opzichte van USB 3.0 zijn de lange kabellengtes (tot 100m) en het gebruik van goedkope Cat6e netwerkkabels. Deze machine vision camera interfaces gebruiken echter meer CPU-kracht dan USB 3.0.
- 10GigE vision camera interface heeft een zeer hoge bandbreedte, waardoor deze ideaal is voor camera's met zeer hoge resoluties bij hoge framerates. De kabels zijn goedkoop en lange kabellengtes zijn mogelijk. Deze machine vision camera interface vereist een 10GigE framegrabber. De totale kosten voor deze machine vision camera interface zijn hoger dan GigE, 5GigE en USB3.
