Bildverarbeitung

GigE Vision, GPUs und FPGAs liegen im Trend

GPUs und FPGAs übernehmen bestimmte Aufgaben von der CPU, und die Gigabit-Ethernet-Schnittstelle in Form des GigE-Vision-Standards dringt immer weiter vor. Dies sind zwei der derzeit vorherrschenden Trends in der industriellen Bildverarbeitung.

Eltec Elektronik 

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Kameramodul mit GigE-Vision-Interface

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Kameramodul mit GigE-Vision-Interface

Aufgrund der hohen Leistungsanforderungen fungiert die Bildverarbeitung in der Automatisierungstechnik oft als Technologietreiber. Um die geforderte Rechenleistung zu erreichen, bieten sich beispielsweise komplexe und flexible FPGAs an. Gleichzeitig werden aber auch Grafikprozessoren (GPU: Graphics Processing Unit) als Alternative diskutiert. Auf der Schnittstellenseite der industriellen Bildverarbeitung standardisiert GigE Vision (Gigabit Ethernet for Machine Vision) die Verbindung zwischen den Kameras und der Verkabelungsstruktur von Gigabit Ethernet. Die CameraLink-Schnittstelle wiederum wurde von mehreren Herstellern industrieller Kameras und Framegrabber definiert und zielt auf die Nutzung in besonders anspruchsvollen Bildverarbeitungs-Anwendungen ab.

Während Schnittstellen wie USB (480 MBit/s bei USB 2.0, mit USB 3.0 jedoch 5 GBit/s, maximale Reichweite: 4,5 m), FireWire (maximale Reichweite: 4,5 m) oder WLAN (selbst bei 802.11n relativ langsam mit einer typischen Datenrate von 8-10 MByte/s) Performance- und/oder Reichweiten-Einschränkungen aufweisen, »ergeben sich für CameraLink und vor allem Gigabit Ethernet (GigE Vision) entsprechende Vorteile«, wie Dr. Reinhard Borst, Leiter Entwicklung von Eltec Elektronik in Mainz, betont.

Vor der Einführung von CameraLink fehlte für die industrielle digitale Bildverarbeitung eine standardisierte Kommunikations-Schnittstelle zwischen Kamera und Framegrabber. »Kamerahersteller und Framegrabber-Anbieter entwickelten Produkte mit unterschiedlichen Steckverbindern, was die Kabelintegration teuer und manchmal für die Anwender auch recht verwirrend machte«, erläutert Borst. »Hinzu kam, dass aufgrund der steigenden Datenraten und der wachsenden Komplexität der Datenübertragungen ein Verbindungsstandard wirklich zwingend wurde.« Vor diesem Hintergrund wurde der CameraLink-Standard von der Automated Imaging Assosiation (AIA) definiert. Zu den Mitgliedern der AIA gehören viele renommierte Hersteller von Kameras, Framegrabbern und Software für die industrielle Bildverarbeitung.

CameraLink ist eine Kommunikationsschnittstelle, die speziell für die industrielle Bildverarbeitung ausgelegt ist. Sie beruht auf dem von National Semiconductor entwickelten Channel-Link-Protokoll. Channel Link wiederum ist eine Weiterentwicklung der LVDS-Technik (Low Voltage Differential Signaling) für die Übertragung digitaler Daten. Channel Link nutzt einen Parallel-Seriell-Transmitter und einen Seriell-Parallel-Empfänger, um Datenraten von bis zu 2,38 GBit/s übertragen zu können. CameraLink gibt es in drei verschiedenen Konfigurationen: Base (maximale Bandbreite ca. 255 MByte/s), Medium (ca. 510 MByte/s) und Full (ca. 680 MByte/s).

CameraLink-Kameras werden mit Hilfe von Framegrabbern an ein PC-System angeschlossen. Diese Einsteckkarten für den PCI-Express-Bus können die Bilddaten über DMA-Kanäle (Direct Memory Access) mit extrem niedriger Prozessorlast in den Arbeitsspeicher transferieren. Während die CameraLink-Spezifikation einen Standard für Kabel, Anschluss, Signalformat und serielle Kommunikations-Schnittstelle definiert, ist die Kommunikation zwischen Kamera und Rechner nicht durch einen speziellen Standard spezifiziert. Daher ist ein spezielles Konfigurations-File erforderlich, das dem Framegrabber mitteilt, wie die Bildübertragung und über welche seriellen Kommandos die Regelung der Kamera erfolgt.

GigE Vision wiederum setzt auf dem IP-Protokoll auf, so dass GigE-Produkte problemlos mit einem Computer kommunizieren können. Genutzt wird aber nicht der gesamte TCP/IP-Stack mit Fehlerkorrektur und Bandbreitensteuerung, weil dies eine zu hohe CPU-Auslastung mit sich brächte (das gilt besonders für die Kameras, in denen dann eine 1-GHz-CPU nötig wäre). »Filtertreiber auf der Empfangsseite verringern die CPU-Belastung auf weniger als 10 Prozent, aber sie laufen nicht überall«, legt Borst dar. »GigE Vision nutzt ein vereinfachtes Korrektursystem ohne Durchsatzkontrolle - jede Kamera kann nur mit einer festgelegten Datenrate übertragen.«

Zu den wichtigsten Vorteilen von GigE Vision gehören laut Borst folgende: Die Hardware ist austauschbar, und der Ansatz ist industriell. Für die Bildverarbeitung lassen sich kostengünstigere Kameramodule in Kombination mit bekannten Ethernet-Verkabelungskomponenten verwenden. Die Datenrate von Gigabit Ethernet (1,25 GBit/s) macht es möglich, einen Datendurchsatz von bis zu 100 MByte tatsächlich zu erreichen. Weil Gigabit Ethernet und GigE Vision generelle Standards sind, lassen sich Kameras vieler verschiedener Hersteller für das Streaming und die industrielle Bildverarbeitung nutzen. Die Distanz von bis zu 100 m ist deutlich länger als die Entfernung, die mit konkurrierenden Techniken abzudecken ist. Bei mehreren parallelen Kameras müssen bei GigE Vision Interface-Karten mit mehreren unabhängigen Gigabit-Schnittstellen eingesetzt werden.

»Zusammengefasst lässt sich also sagen, dass Gigabit Ethernet die Vorteile einer breit gefächerten Nutzung, kostengünstiger Komponenten und langer Kabel hat, aber je nach Anwendung besondere Imaging-Treiber bzw. Schnittstellen erfordert«, führt Borst aus. »CameraLink wiederum bietet die höchste Performance, allerdings in Kombination mit etwas höheren Kosten und kürzeren Kabeln, und auch hier sind spezielle Treiber/Schnittstellen nötig.«

1. Teil: GigE Vision, GPUs und FPGAs liegen im Trend
2. Teil: GPUs – von der Grafik zur Bildverarbeitung
3. Teil: FPGAs – hohe Leistung in Kombination mit hoher Flexibilität
4. Teil: Resümee