Jak wybrać interfejs kamery wizyjnej (USB3 / GigE / 5GigE / 10GigE Vision)?
Ten artykuł zapewni głębszy wgląd w zalety i wady każdego typu interfejsu kamery wizyjnej, aby umożliwić wybór odpowiedniego interfejsu do zastosowania w widzeniu maszynowym.
Whitepaper dotyczący interfejsu kamery do widzenia maszynowego
Ten artykuł zapewni głębszy wgląd w zalety i wady każdego typu interfejsu kamer wizyjnych, aby umożliwić wybór odpowiedniego interfejsu do danego zastosowania widzenia maszynowego. Należy zauważyć, że VA Imaging dostarcza wyłącznie USB 2.0, kamery vision USB 3.0, kamery GigE, kamery 5GigE i 10GigE, a artykuł będzie skupiał się głównie na tych pięciu przemysłowych interfejsach widzenia maszynowego. Jednak w tabeli po prawej stronie uwzględniliśmy również inne interfejsy, aby zapewnić kompletny przegląd przemysłowych interfejsów kamer wizyjnych.
Jaka jest przepustowość interfejsu kamery wizyjnej?
Pierwszym tematem, który omówimy, jest przepustowość interfejsu kamery wizyjnej. Mówiąc prościej, istnieje sposób pomiaru ilości danych, które mogą zostać przesłane między komputerami w określonym czasie. W kontekście widzenia maszynowego dotyczy to ilości danych obrazu, które mogą zostać przesłane z kamery wizyjnej do kontrolera hosta. Przepustowość jest mierzona w megabajtach na sekundę, co oznacza, że kamera wizyjna USB2.0 może przesyłać dane obrazu o wielkości 40 megabajtów na sekundę.
Oznacza to również, że interfejs kamery wizyjnej USB 3.0 (jeśli jest wykorzystywany z pełną przepustowością) może przesyłać dane obrazu o wielkości 400 megabajtów na sekundę, czyli około 10 razy więcej niż interfejs kamery wizyjnej USB 2.0. Podczas przesyłania dużych ilości danych (duże wykorzystanie przepustowości) komputer potrzebuje również więcej czasu na przetworzenie tych danych. W rezultacie komputer potrzebuje więcej czasu na odtworzenie obrazu. Jednak duża przepustowość przyspiesza transfer danych, umożliwiając kontrolerowi hosta wcześniejsze i szybsze rozpoczęcie obliczeń oraz odtwarzania obrazów. Jest to często wymagane w zastosowaniach widzenia maszynowego.
Współczynnik wydajności przepustowości interfejsu kamery wizyjnej
Maksymalna przepustowość interfejsu kamery wizyjnej jest tylko jednym z kilku czynników wpływających na końcową przepustowość danych, co skutkuje mniejszą liczbą obrazów na sekundę. Opóźnienia, jitter i utrata pakietów mogą obniżać przepustowość danych, ale również jakość kabla może zmniejszać dostępną przepustowość. Zalecamy zapoznanie się z naszymi przewodnikami dotyczącymi kamer wizyjnych USB 3.0 lub GigE, w których omawiamy te kwestie.
Wymagana przepustowość w dużym stopniu zależy od zastosowania widzenia maszynowego i ograniczeń systemu. Ogólnie można powiedzieć, że jeśli masz kamerę 2-megapikselową, każdy obraz ma 2 megabajty. Jeśli wymaganie określa 10 obrazów na sekundę, wymagana przepustowość wynosi 2x10=20 megabajtów na sekundę. Każdy interfejs kamery wizyjnej może zapewnić taką przepustowość. Jednak jeśli wymaganie wynosi 100 obrazów na sekundę, potrzebujesz przepustowości 2x100=200 megabajtów na sekundę i pozostają tylko interfejsy kamer wizyjnych CameraLink, Coaxpress, USB 3.0, 5GigE i 10GigE .
Jaka jest maksymalna długość kabla dla interfejsu kamery wizyjnej?
Drugim punktem do omówienia jest maksymalna długość kabla interfejsu kamery wizyjnej. Te maksymalne długości kabli wskazują, jaka długość kabla pozwala nadal pracować z maksymalną przepustowością. Istnieją na przykład kable USB 3.0 o długości do 25 metrów, jednak liczba ta znacznie przekracza 4,6 metra w przypadku kabli USB 3.0 do widzenia maszynowego, co powoduje utratę dużej części przepustowości. Okablowanie różni się stopniem pożądanej elastyczności i
wpływa na ilość przepustowości , którą chcesz przesyłać. Typowe ceny okablowania to:
- Kabel USB2 do kamery wizyjnej kosztuje od 4 do 6 euro
- Kabel USB 3.0 do kamery wizyjnej kosztuje od 16 do 20 euro
- Kabel GigE, 5GigE, 10GigE do kamery wizyjnej kosztuje od 8 do 10 euro
Gdy kamera wizyjna jest zamontowana na ruchomej platformie, wymagany jest kabel Highflex. Ten kabel Highflex może zginać się wielokrotnie na sekundę, każdego dnia przez wiele lat. Kable GigE Highflex są najtańszymi kablami Highflex do widzenia maszynowego. Ich ceny zaczynają się od 50 euro.
Czy frame grabber jest wymagany dla kamer wizyjnych USB 2.0, USB 3.0 i GigE?
W przypadku interfejsów USB 2.0, USB 3.0, GigE i 5GigE kamery nie wymagają Frame grabber. Tylko w przypadku interfejsów widzenia maszynowego, takich jak 10GigE, camera Link, Firewire B i Coaxpress, framegrabber jest obowiązkowy. Należy jednak pamiętać, że „frame grabber” ma szeroką definicję i podlega interpretacji. Jeśli komputer nie ma wystarczającej liczby portów USB 3.0 lub GigE, oferujemy kartę interfejsu umożliwiającą zwiększenie liczby portów interfejsu USB 3.0 lub GigE w komputerze. Ta karta interfejsu jest również czasami nazywana framegrabberem. Wszystkie oferowane przez nas karty interfejsu / frame grabbery są testowane z naszymi kamerami wizyjnymi, aby mogły działać z pełną przepustowość.
Jaka jest cena kamery wizyjnej?
Spośród pięciu typów interfejsów kamer wizyjnych, które oferujemy, 10GigE jest najdroższym, a USB2 najtańszym interfejsem kamery vision. Wszystkie pięć nadal jest tańszych niż kamery Camera Link i Coaxpress. Dzięki konkurencyjnemu modelowi cenowemu najtańsze modele są dostępne w cenie poniżej 100 €. Dla porównania frame grabber do widzenia maszynowego dla Coaxpress kosztuje około 500 €, a prosta kamera Coaxpress około 1000 €, co łącznie daje 1500 €. To sprawia, że jest on 10x droższy niż interfejs kamery wizyjnej USB 3.0. Dlatego uważamy, że dzięki interfejsom USB2, USB 3.0, GigE i 5GigE możemy obsłużyć większość popularnych zastosowań widzenia maszynowego.
Jakie jest obciążenie CPU kamery wizyjnej?
Każdy interfejs kamery wizyjnej wykorzystuje moc CPU do przesyłania obrazów z interfejsu do pamięci procesora. Wymagana ilość mocy CPU jest określana jako obciążenie CPU. USB 3.0 charakteryzuje się „niskim” obciążeniem CPU kontrolera hosta, podczas gdy USB2 i GigE mają „średnie” obciążenie CPU. USB 3.0 ma niskie obciążenie CPU, ponieważ wykorzystuje całkowicie inny protokół niż USB2 i GigE, a protokół ten wymaga mniej zasobów. Interfejs kamery wizyjnej USB 3.0, GigE, 5GigE i 10GigE wykorzystuje interfejs danych Unicast Dual-Simplex, który umożliwia przesyłanie danych w obu kierunkach. Działa on w sposób, w którym procedura sterowana przez hosta wysyła pakiety trasowania i powiadomienia jawnie w sposób allochroniczny.
Umożliwia to kamerze wizyjnej wysłanie komunikatu do kontrolera hosta, gdy jest gotowa do transmisji danych. Ten nowszy mechanizm zmniejsza obciążenie systemu i CPU w porównaniu z mechanizmem odpytywania w USB2.0. Dla wyjaśnienia, interfejs kamery wizyjnej USB2.0 wykorzystuje jednokierunkowy transfer danych, co powoduje gromadzenie większej ilości danych (pakietów obrazów) na karcie interfejsu i większe obciążenie CPU. Kamera wizyjna 5GigE również wykorzystuje dodatkowe zasoby CPU. Kamera 5GigE przesyła obrazy z bezstratną kompresją przez interfejs Ethernet 1000mbit do komputera. Komputer musi dekompresować obrazy, co powoduje dodatkowe obciążenie CPU.
Podsumowując, USB 3.0 ma zdecydowanie najniższe wykorzystanie CPU, a GigE i 10GigE mają nieco wyższe wykorzystanie CPU niż USB 3.0. 5GigE i USB2 mają najwyższe wykorzystanie CPU.
Akceptacja konsumentów i cykl życia produktu interfejsów widzenia maszynowego
Aby zapewnić jeszcze lepszy przegląd cyklu życia produktu niż przedstawiony w powyższej tabeli, przygotowaliśmy również wykres po prawej stronie. Pokazuje on etap cyklu życia produktu, na którym znajduje się każdy interfejs widzenia maszynowego.
Wprowadzenie
Pierwsze dwa interfejsy widzenia maszynowego, które nadal znajdują się na etapie wprowadzenia (i rozwoju), to produkty 10 GigE i N-BASE-T (5GigE). Obie kamery wizyjne są przeznaczone do szybkiego obrazowania z wykorzystaniem komercyjnych kabli Ethernet Cat6e, używanych z normalnymi kamerami GigE. 10 GigE Vision ma około 10x większą przepustowość niż standardowa kamera GigE Vision, ale wymaga karty sieciowej 10GigE.
Wzrost
Jednym z interfejsów wymienionych w fazie wzrostu jest Coaxpress. Ten interfejs jest podobny do 10 GigE i N-BASE-T, ponieważ jest przeznaczony do szybkiego obrazowania. Wadą tego interfejsu jest to, że framegrabber jest obowiązkowy, a zarówno framegrabbery, jak i kamera Coaxpress są stosunkowo drogie.
Dojrzałość
W fazie dojrzałości znajdują się dwa interfejsy widzenia maszynowego sprzedawane przez VA Imaging, czyli GigE i USB 3.0. Standard USB 3.0 Vision został opracowany w 2011 roku, a standard GigE Vision w 2006 roku, oba przez Automated Imaging Association. Uważamy, że oba te interfejsy widzenia maszynowego osiągnęły szczyt swojej dojrzałości, a popyt jest obecnie najwyższy. Oczekujemy, że GigE pozostanie w fazie dojrzałości przez co najmniej 5 kolejnych lat, a USB 3.0 jeszcze dłużej.
Spadek
Ostatnie dwa interfejsy widzenia maszynowego, USB2 i Camera Link, znajdują się w fazie spadku. Ze względu na lepszą alternatywę (USB 3.0 zamiast USB2 oraz Coaxpress zamiast CameraLink) popyt spada i będzie nadal spadał w kolejnych latach. USB2 ma bardzo ograniczoną przepustowość, a protokół nie jest tak niezawodny, przez co nadaje się tylko do niewielkiego zakresu zastosowań. Jednak gdy zastosowanie widzenia maszynowego ma bardzo minimalne wymagania, USB2 jest najlepszym wyborem pod względem kosztów. camera Link ma dobrą przepustowość, ale jest kosztowną opcją w porównaniu z Coaxpress, USB 3.0, a w przyszłości 10 GigE i N-BASE-T pod względem przepustowości. Kamery wizyjne Camera Link są również drogie i wymagają kosztownych kabli.
Wiele kamer wizyjnych
Podczas instalowania wielu kamer wizyjnych na jednym kontrolerze hosta ważne jest monitorowanie wykorzystania przepustowości. Korzystanie z tego typu konfiguracji zazwyczaj wymaga karty interfejsu z wieloma wejściami. Omówimy wyłącznie konfiguracje z wieloma kamerami wizyjnymi dla USB2, USB 3.0 i GigE.
Wiele kamer wizyjnych USB 3.0
Począwszy od USB 3.0, ten interfejs widzenia maszynowego zapewnia doskonałą kompatybilność z systemem wielu kamer wizyjnych. W przypadku USB 3.0 można zastosować sieć gwiazdową lub sieć punkt-punkt. W przypadku sieci gwiazdowej wiele kamer wizyjnych jest podłączonych do jednego koncentratora USB 3.0. Przepustowość USB 3.0 będzie współdzielona przez podłączone kamery wizyjne USB 3.0. Wynika to z faktu, że wszystkie pojedyncze kamery wizyjne USB 3.0 korzystają z jednej przepustowości hosta podłączonego do koncentratora USB 3.0.
W drugiej opcji, sieci USB 3.0 punkt-punkt, każda kamera wizyjna USB 3.0 jest podłączana bezpośrednio do kontrolera hosta USB 3.0. Karta interfejsu USB 3.0 może mieć do czterech wejść kontrolera hosta USB 3.0, co umożliwia podłączenie czterech kamer wizyjnych USB 3.0 do jednej karty interfejsu. Każda kamera wizyjna USB 3.0 może teraz korzystać z pełnej przepustowości protokołu USB 3.0.
Wiele kamer wizyjnych GigE
Kamery wizyjne GigE, 5GigE i 10GigE są również dobrym rozwiązaniem dla systemu wielu kamer wizyjnych. Dzięki dużej elastyczności i niedrogiemu okablowaniu są idealne do monitorowania taśm transportowych oraz analizy sportu i ruchu z użyciem wielu kamer wizyjnych. Zasada jest taka sama jak w przypadku kamer USB 3.0. Można zastosować zarówno sieć gwiazdową z wykorzystaniem przełącznika Ethernet, jak i sieć punkt-punkt z wykorzystaniem karty interfejsu z wieloma wejściami GigE.
Wiele kamer wizyjnych USB2.0
Ostatni oferowany przez nas interfejs, USB2.0, jest najmniej odpowiedni do konfiguracji wielu kamer wizyjnych. Nie oznacza to, że nie można podłączyć i używać wielu kamer wizyjnych USB2.0, lecz że zapewni on najsłabszą wydajność spośród tych trzech interfejsów. Ponownie możliwe są obie opcje sieciowe (gwiazdowa i punkt-punkt), tak jak w przypadku USB 3.0.
Jak wybrać interfejs kamery wizyjnej?
Przy wyborze interfejsu dla kamery wizyjnej przedstawiamy następujące wytyczne:
- Interfejs kamery wizyjnej USB2.0 jest najtańszy i najłatwiejszy w użyciu spośród wszystkich 3 opcji. Przepustowość i długość kabla są jednak ograniczone. Kamery wizyjne USB2.0 są idealne do zastosowań wymagających maksymalnie 1.3MP przy 30fps lub 5MP przy 7fps, z długością kabla nieprzekraczającą 5 metrów.
- Interfejs kamery wizyjnej USB 3.0 jest jednym z najszybszych interfejsów, które obsługujemy, i wykorzystuje najmniejszą moc procesora komputera. Dlatego idealnie nadaje się do wysokiej rozdzielczości i szybkiego obrazowania. Długość kabla jest natomiast ograniczona do 4.5 metra.
- Interfejs kamery GigE Vision jest często stosowany w zastosowaniach widzenia maszynowego wymagających większych długości kabli (od 5 do 100metrów). Przepustowość jest średnia (pomiędzy USB2.0 a USB 3.0). Dzięki temu jest idealny do większości zastosowań widzenia maszynowego. Zarówno kamery vision 20MP z niską liczbą klatek na sekundę, jak i kamery vision o niskiej rozdzielczości z wysoką liczbą klatek na sekundę są dostępne z interfejsem GigE.
- Interfejs 5GigE Vision to nowy interfejs widzenia maszynowego o takiej samej wydajności jak USB 3.0. Korzyści w porównaniu z USB 3.0 to duże długości kabli (do 100m) oraz zastosowanie tanich kabli sieciowych Cat6e. Ten interfejs kamery wizyjnej wykorzystuje jednak więcej mocy CPU niż USB 3.0.
- Interfejs kamery 10GigE Vision ma bardzo wysoką przepustowość, co sprawia, że idealnie nadaje się do kamer o bardzo wysokiej rozdzielczości przy wysokiej liczbie klatek na sekundę. Kable są niedrogie, a możliwe są duże długości kabli. Ten interfejs kamery wizyjnej wymaga framegrabber 10GigE. Całkowite koszty tego interfejsu kamery wizyjnej są wyższe niż w przypadku GigE, 5GigE i USB3.