Como selecionar uma interface de câmera de machine vision (USB3 / GigE / 5GigE / 10GigE Visão)?
Gaspar van Elmbt
Este artigo irá fornecer uma visão mais aprofundada sobre os benefícios e desvantagens de cada tipo de interface de câmera de machine vision, para que possa selecionar a interface certa para a sua aplicação de machine vision.
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Whitepaper sobre Interface de câmera de Machine vision
Este artigo irá fornecer uma visão mais aprofundada sobre quais são os benefícios e desvantagens de cada tipo de interface de câmera de machine vision, para que possa selecionar a interface certa para a sua aplicação de machine vision. Deve-se notar que a VA Imaging apenas fornece USB 2.0, USB 3.0, GigE, 5GigE e 10GigE machine vision câmeras e o artigo estará principalmente focado nestas cinco interfaces industriais de machine vision. No entanto, na tabela à direita, também incluímos outras interfaces para tornar a visão geral das interfaces de câmeras industriais de machine vision completa.
Qual é a bandwidth de uma interface de câmera de machine vision?
O primeiro tópico que iremos abordar é a bandwidth de uma câmera de machine vision interface. Simplificando, existe uma forma de medir a quantidade de dados que pode ser enviada entre computadores durante um determinado período. No contexto de machine vision, isto refere-se à quantidade de dados de imagem que pode ser enviada da câmera de machine vision para um controlador anfitrião. Bandwidth é medida em megabytes por segundo, o que significa que uma câmera de machine vision USB2.0 pode enviar dados de imagem equivalentes a 40 megabytes por segundo.
Isto também significa que uma interface de câmera de machine vision USB 3.0 interface (se utilizada na sua capacidade máxima) pode enviar dados de imagem equivalentes a 400 megabytes por segundo, o que é cerca de 10 vezes mais do que a interface de câmera de machine vision USB 2.0. Ao enviar grandes quantidades de dados (elevada utilização de bandwidth), o computador necessita de mais tempo para processar esses dados. Como resultado, demora mais tempo para o computador reconstruir uma imagem. No entanto, uma grande bandwidth torna a transferência de dados mais rápida, permitindo que o controlador anfitrião comece a calcular e reconstruir imagens mais cedo e de forma mais rápida. Isto é frequentemente necessário em aplicações de machine vision.
Fator de desempenho para a largura de banda da interface de câmera de machine vision
A largura de banda máxima da interface de câmera de machine vision é apenas um dos poucos fatores que afetam o débito final de dados, resultando em menos imagens por segundo. Latência, jitter e perda de pacotes podem degradar o débito de dados, mas também a qualidade do seu cabo pode disponibilizar menos bandwidth. Aconselhamos a leitura dos nossos guias sobre câmeras de machine vision USB 3.0 ou GigE, onde abordamos estas questões.
A necessidade de bandwidth depende muito da aplicação de machine vision e das limitações do seu sistema. Em geral, pode-se dizer que, se tiver uma câmera de 2 Megapixels, cada imagem tem 2 Megabytes. Se o seu requisito especificar 10 imagens por segundo, a largura de banda necessária é 2x10=20 megabytes por segundo. Qualquer interface de câmera de machine vision pode suportar esta bandwidth. No entanto, se o requisito for 100 imagens por segundo, necessita de 2x100=200 megabytes por segundo de bandwidth e apenas CameraLink, Coaxpress, USB 3.0, 5GigE e 10GigE interfaces de câmera de machine vision permanecem.
Qual é o comprimento máximo do cabo para uma interface de câmera de machine vision?
O segundo ponto de discussão é o comprimento máximo do cabo da interface da câmera de machine vision. Estes comprimentos máximos de cabo indicam qual o comprimento que ainda permite trabalhar com a quantidade máxima de bandwidth. Existem cabos USB 3.0, por exemplo, que chegam até 25 metros, no entanto este número excede largamente os 4,6 metros dos cabos USB 3.0 de machine vision, o que resulta numa grande perda de bandwidth. A cablagem varia consoante o grau de flexibilidade pretendido e
influencia quanto bandwidth pretende transferir. A tabela de preços típica para cabos é:
- O cabo USB2 para câmera de machine vision custa entre 4 e 6 euros
- O cabo USB 3.0 para câmera de machine vision custa entre 16 e 20 euros
- O cabo GigE, 5GigE, 10GigE para câmera de machine vision custa entre 8 e 10 euros
Quando a câmera de machine vision é montada numa plataforma móvel, é necessário um cabo highflex. Este cabo highflex é capaz de dobrar várias vezes por segundo, todos os dias durante muitos anos. Os cabos GigE Highflex são os cabos highflex de machine vision mais económicos. Começam nos 50 euros.
É necessário um frame grabber para câmaras de machine vision USB 2.0, USB 3.0 e GigE?
Para as interfaces USB 2.0, USB 3.0, GigE e 5GigE, as câmeras não necessitam de um Frame grabber. Apenas para as interfaces de machine vision como 10GigE, camera Link, Firewire B e Coaxpress, um framegrabber é obrigatório. Deve-se notar, no entanto, que ‘frame grabber’ tem uma definição ampla e está sujeita a interpretação. Se um computador não tiver portas USB 3.0 ou GigE suficientes, dispomos de uma placa de interface para aumentar o número de portas de interface USB 3.0 ou GigE do computador. Esta placa de interface também é por vezes chamada de framegrabber. Todas as placas de interface / frame grabbers que oferecemos são testadas com as nossas câmeras de machine vision para garantir o funcionamento a bandwidth máxima.
Qual é o preço de uma câmera de machine vision?
No que diz respeito aos cinco tipos de interfaces de câmera de machine vision que oferecemos, 10GigE é a mais cara e USB2, a câmera de visão mais barata interface. Todas as cinco ainda são mais baratas do que camera Link e câmeras Coaxpress. Com o modelo de preços competitivo, os modelos mais baratos estão todos disponíveis por menos de €100. Para colocar isto em perspetiva, um frame grabber de machine vision para Coaxpress custa cerca de €500 e uma câmera Coaxpress simples custa cerca de €1000, somando um total de €1500. Tornando-o 10 vezes mais caro do que a interface de câmera de machine vision USB 3.0. Por isso, acreditamos que com as interfaces USB2, USB 3.0, GigE e 5GigE conseguimos cobrir a maioria das aplicações de machine vision mainstream.
Qual é a carga do CPU da câmera de machine vision?
Cada interface de câmera de machine vision utiliza a potência da CPU para transferir as imagens da interface para a memória do processador. A quantidade de potência da CPU necessária é definida como carga da CPU. O USB 3.0 tem uma carga de CPU ‘baixa’ no controlador principal, enquanto o USB2 e o GigE têm uma carga de CPU ‘média’. O USB 3.0 tem uma carga de CPU baixa porque utiliza um protocolo totalmente diferente do USB2 e do GigE, e este protocolo necessita de menos recursos. As interfaces de câmera de machine vision USB 3.0, GigE, 5GigE e 10GigE utilizam uma interface de dados Unicast Dual-Simplex, que permite a transferência de dados em ambas as direções. Funciona onde um procedimento dirigido pelo host envia pacotes de rota e notificações explicitamente de forma alocronológica.
Isto permite que a câmera de machine vision envie uma mensagem ao controlador principal quando está pronta para a transmissão de dados. Este mecanismo mais recente reduz a carga do sistema e da CPU em comparação com o mecanismo de polling do USB2.0. Para clarificar, a interface de câmera de machine vision USB2.0 utiliza transferência de dados unidirecional, o que resulta no empilhamento de mais dados (pacotes de imagem) na placa de interface e coloca mais trabalho na CPU. Uma câmera de machine vision 5GigE também utiliza carga extra da CPU. A câmera 5GigE envia imagens com compressão sem perdas através da interface ethernet de 1000mbit para o computador. O computador tem de descomprimir as imagens, resultando numa carga extra da CPU.
Resumindo, o USB 3.0 tem de longe a utilização de CPU mais baixa, o GigE e o 10GigE têm um pouco mais de utilização de CPU do que o USB 3.0. O 5GigE e o USB2 têm a utilização de CPU mais elevada.
Aceitação do consumidor e ciclo de vida do produto de machine vision interfaces
Para lhe proporcionar uma visão ainda mais completa do ciclo de vida do produto do que a apresentada na tabela acima, elaborámos também o gráfico à direita. Este mostra a fase do ciclo de vida do produto em que cada interface de machine vision se encontra.
Introdução
As duas primeiras interfaces de machine vision, que ainda estão na fase de introdução (e desenvolvimento), são os produtos 10 GigE e N-BASE-T (5GigE). Ambas as câmeras de machine vision são adequadas para imagem de alta velocidade utilizando os cabos ethernet Cat6e comerciais usados com câmeras GigE normais. O 10 GigE Vision tem cerca de 10x a bandwidth de uma câmera GigE Vision padrão, mas requer uma placa de rede 10GigE.
Crescimento
Uma das interfaces que está listada na fase de crescimento é o Coaxpress. Esta interface é semelhante ao 10 GigE e N-BASE-T, pois é adequada para imagem de alta velocidade. A desvantagem desta interface é que um framegrabber é obrigatório e tanto os framegrabbers como a câmera Coaxpress são relativamente caros.
Maturidade
Na fase de maturidade, observam-se duas interfaces de machine vision que a VA Imaging comercializa, que são GigE e USB 3.0. O standard USB 3.0 Vision foi criado em 2011 e o standard GigE Vision em 2006, ambos fundados pela Automated Imaging Association. Acreditamos que estas duas interfaces de machine vision atingiram o auge da sua maturidade e a procura está atualmente no seu ponto mais alto. Prevemos que o GigE permanecerá na fase de maturidade por pelo menos mais 5 anos e o USB 3.0 ainda por mais tempo.
Declínio
As duas últimas interfaces de machine vision, USB2 e camera Link, encontram-se na fase de declínio. Devido a alternativas melhores (USB 3.0 em vez de USB2 e Coaxpress em vez de CameraLink), a procura está e continuará a diminuir nos próximos anos. O USB2 tem uma largura de banda muito limitada e o protocolo não é tão robusto, tornando-o adequado apenas para um pequeno leque de aplicações. No entanto, quando a aplicação de machine vision tem requisitos mínimos, o USB2 é a melhor escolha em termos de custos. O camera Link tem uma boa largura de banda, mas é uma opção dispendiosa em comparação com o Coaxpress, USB 3.0 e, no futuro, 10 GigE e N-BASE-T em termos de bandwidth. As câmeras de camera link para machine vision também são caras e os cabos têm preços elevados.
Várias câmaras de machine vision
Ao instalar várias câmeras de machine vision num único controlador principal, é importante monitorizar a utilização da sua bandwidth. A utilização deste tipo de configuração normalmente requer uma placa de interface com múltiplas entradas. Iremos abordar apenas configurações com múltiplas câmeras de machine vision para USB2, USB 3.0 e GigE.
Múltiplas câmeras de visão machine vision USB 3.0
Começando com USB 3.0, esta interface de visão machine vision interface apresenta excelente compatibilidade para um sistema com múltiplas câmeras de visão machine vision. Pode utilizar tanto uma rede em estrela como uma rede ponto-a-ponto para USB 3.0. Ao utilizar uma rede em estrela, múltiplas câmeras de visão machine vision são ligadas a um único hub USB 3.0. A bandwidth USB 3.0 será dividida entre as câmeras de visão machine vision USB 3.0 conectadas. Isto deve-se ao facto de todas as câmeras de visão machine vision USB 3.0 individuais consumirem da mesma bandwidth do host ligado ao hub USB 3.0.
Na segunda opção, uma rede ponto-a-ponto USB 3.0, irá ligar cada câmera de visão machine vision USB 3.0 diretamente ao controlador host USB 3.0. A placa de interface USB 3.0 pode ter até quatro entradas de controlador host USB 3.0, permitindo ligar quatro câmeras de visão machine vision USB 3.0 a uma única placa de interface. Cada câmera de visão machine vision USB 3.0 pode agora utilizar toda a bandwidth do protocolo USB 3.0.
Múltiplas câmeras de visão machine vision GigE
As câmeras de visão machine vision GigE, 5GigE e 10GigE também são uma boa opção para um sistema com múltiplas câmeras de visão machine vision. Com elevada flexibilidade e cablagem económica, é ideal para monitorização de linhas de produção e análise desportiva & de movimento com múltiplas câmeras de visão machine vision. O princípio é o mesmo que com câmeras USB 3.0. Pode ter tanto uma rede em estrela utilizando um switch ethernet como uma rede ponto-a-ponto utilizando uma placa de interface com múltiplas entradas GigE.
Múltiplas câmeras de visão machine vision USB2.0
A última interface que oferecemos, USB2.0, é a menos adequada para configurações com múltiplas câmeras de visão machine vision. Isto não significa que não possa ligar e utilizar várias câmeras de visão machine vision USB2.0, mas sim que terá o pior desempenho das três opções. Novamente, ambas as opções de rede (estrela e ponto-a-ponto) são possíveis, tal como no USB 3.0.
Como selecionar uma interface de câmera de machine vision?
Ao selecionar uma interface para uma câmera de machine vision, fornecemos-lhe as seguintes orientações:
- A interface de câmera USB2.0 de machine vision é a mais económica e fácil de usar das 3 opções. No entanto, bandwidth e comprimento do cabo são limitados. As câmeras de machine vision USB2.0 são ideais para aplicações que requerem um máximo de 1,3MP a 30fps ou 5MP a 7fps, com um comprimento de cabo que não exceda 5 metros.
- A interface de câmera USB 3.0 de machine vision é uma das interfaces mais rápidas que suportamos e utiliza a menor quantidade de potência do processador do computador. Por isso, é ideal para imagem de alta resolução e alta velocidade. O comprimento do cabo, por outro lado, está limitado a 4,5 metros.
- A interface de câmera GigE Vision é frequentemente utilizada em aplicações de machine vision que requerem comprimentos de cabo mais longos (entre 5 e 100 metros). Bandwidth é média (entre USB2.0 e USB 3.0). Isto torna-a ideal para a maioria das aplicações de machine vision. Estão disponíveis tanto câmeras de visão de 20MP com baixas taxas de frames como câmeras de visão de baixa resolução com altas taxas de frames com a interface GigE.
- A interface 5GigE Vision é uma nova interface de machine vision com o mesmo desempenho que o USB 3.0. As vantagens em relação ao USB 3.0 são os comprimentos de cabo longos (até 100m) e a utilização de cabos de rede Cat6e económicos. No entanto, esta interface de câmera de machine vision utiliza mais potência de CPU do que o USB 3.0.
- A interface de câmera 10GigE Vision possui uma largura de banda muito elevada, tornando-a ideal para câmeras de resoluções muito altas a altas taxas de frames. Os cabos são económicos e são possíveis comprimentos de cabo longos. Esta interface de câmera de machine vision requer um framegrabber 10GigE. Os custos totais para esta interface de câmera de machine vision são superiores aos do GigE, 5GigE e USB3.
