Bildverarbeitungs-Interfaces
Neue Schnittstellen braucht das Land
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
CoaXPress und CameraLink HS
Die Hochgeschwindigkeits-Standards CoaXPress und CameraLink HS (anfangs als HSLink bezeichnet) wurden auf der Vision 2009 angekündigt. CoaXPress ist seit März 2011 ein weltweiter Standard, wohingegen der CameraLink-HS-Standard vor der Verabschiedung steht. Beide Standards beruhen auf Framegrabbern; sowohl für CoaXPress als auch für CameraLink HS (bzw. für den Vorläufer HSLink) sind mittlerweile genügend Produkte auf dem Markt, um maßgeschneiderte Bildverarbeitungs-Systeme zusammenzustellen.
Bei CoaXPress ist die Produktvielfalt schon etwas größer, weil der Standardisierungsprozess abgeschlossen ist. Active Silicon beispielsweise hat den CoaXPress-Framegrabber »FireBird-4xCXP6« vorgestellt, das erste Exemplar der CoaXPress-Framegrabber-Familie »FireBird«. Die Bilderfassungskarte arbeitet mit aktuellen FPGAs, DDR3-Speichern und PCI-Express-x8- (Gen-2-) Schnittstelle. Sie erlaubt eine simultane Bilderfassung von vier CoaXPress-Kanälen, wobei jeder Kanal bis zu 6,25 GBit/s Bilddaten aufnehmen kann, während gleichzeitig ein Uplink mit 20,8 MBit/s und die Leistungsversorgung der Kamera mit 13 W möglich sind.
Für sehr schnelle Systeme lassen sich die Kanäle kombinieren, um die Bandbreite zu vervielfachen. So kann beispielsweise eine Kamera vier Kanäle nutzen, um eine Gesamt-Datenmenge von 25 GBit/s zu übertragen. Die Kabellängen, die der CoaXPress-Standard ermöglicht, sind groß: Bei 6,25 GBit/s können sie bis zu 40 m betragen, bei 3,125 GBit/s sogar 100 m.
Die »FireBird«-Familie unterstützt Windows, Linux, Mac OS X, VxWorks und QNX. Zum Lieferumfang aller Bilderfassungs-Produkte von Active Silicon gehört ein leicht bedienbares SDK. Stemmer Imaging als Vertriebshaus von Active Silicon stellt Common-Vision-Blox-Treiber für die Karten bereit.
BitFlow bietet ebenfalls CoaXPress-Framegrabber an, und zwar die Baugruppen der Serie »Karbon-CXP«. Über ein einziges 75-Ohm-Koaxkabel lassen sich sowohl Bild-, Kommunikations- und Steuerungsdaten als auch der Versorgungsstrom übertragen. Die Framegrabber unterstützen eine Transferrate von bis zu 6,25 GBit/s pro Kabel von der Kamera zum Host (Downlink) und bis zu 20,8 MBit/s im Uplink für Kommunikations- und Steuerungsdaten.
Silicon Software hat Framegrabber sowohl für CoaXPress als auch für CameraLink HS im Programm. Die Boards der Serie »microEnable 5« beruhen auf einer PCI-Express-x8-(Gen-2-)Schnittstelle und nutzen für den Bildtransfer zum PC die DMA3600-Technik von Silicon Software. Sie unterstützen mit Bitraten von 6,25 GBit/s die derzeit schnellsten auf dem Markt verfügbaren CoaXPress-Kameras. Neben Modellen mit vier BNC-Eingängen sind auch Versionen mit 5W5-Steckern und Dual-Fiberoptic-Eingängen erhältlich. Die Markteinführung der »microEnable-5«-Baureihe ist für dieses Jahr geplant.
Dem vorläufigen CameraLink-HS-Standard entspricht auch der Framegrabber »Xcelera HS PX8« von Teledyne Dalsa mit PCI-Express-x8-Schnittstelle. Für die Bilderfassung beträgt die Bandbreite 1,8 GByte/s (14,4 GBit/s), für den Datentransfer zum Host 2 GByte/s (16 GBit/s).
Auf der Kameraseite wartet beispielsweise der CoaXPress-Pionier Adimec mit mehreren Modellen auf. Die Hochgeschwindigkeits-Kamera Q-2A340 aus der »Quartz«-Serie des Unternehmens bewältigt eine Framerate von bis zu 340 Frames/s bei 2048 x 1088 Bildpunkten Auflösung mit 10 Bit pro Pixel. Bei dem Gerät handelt es sich um eine Flächenkamera auf CMOS-Basis, die laut Adimec CCD-Bildqualität erreicht. Zu haben ist die Kamera mit Dual-CoaXPress- oder 10-Tap-CameraLink-Schnittstelle. Die Dual-CoaXPress-Matrixkamera »Quartz Q-4A180« überträgt 180 Bilder/s bei einer Auflösung von 2048 x 2048 Bildpunkten und 10 Bit je Pixel über zwei Standard-Koaxkabel, ohne zusätzliche Verstärkereinheit.
Auch Matrox bietet mittlerweile Framegrabber für CoaXPress an. Erhältlich sind die Boards unter anderem beim Bildverarbeitungstechnik-Distributor Rauscher. Das auf der Vision 2011 vorgestellte Modell »Radient eV-CXP« bietet vier unabhängige CoaXPress-Links über BNC-Steckverbindungen. Dies ermöglicht die gleichzeitige Erfassung der Daten von bis zu vier Kameras, die sich mit unterschiedlichen Datenübertragungsraten betreiben lassen (1,25, 2,5, 3,125, 5,0 oder 6,25 GBit/s). Bei Anwendungen mit hoher Bandbreite kann der Framegrabber auch die Bilddaten einer einzigen Kamera erfassen und durch Link Aggregation mit einer Geschwindigkeit von bis zu 25 GBit/s übertragen.
In den PC transferiert die Baugruppe die Daten über ein PCI-Express-2.0-x8-Host-Interface mit einer Spitzenübertragungsrate von bis zu 4 GByte/s, und zwar in Verbindung mit bis zu 4 GByte SDRAM-Onboard-Pufferspeicher. Bei sehr hohen Bildraten von mehreren Tausend Bildern/s ist es möglich, über den integrierten »MicroBlaze«-Soft-Processor die Host-CPU von der Bilderfassungsverwaltung zu entlasten. Darüber hinaus kann der Framegrabber Vorverarbeitungsaufgaben wie Bayer-Interpolation, Farbraumkonvertierung und LUT-Mapping übernehmen.
Das Board vereinfacht die Integration des gesamten Systems, indem es Kamerastrom, Trigger und Steuerung über jede CXP-Verbindung bereitstellt sowie zusätzlich vier unabhängige Ein-/Ausgänge zum Anschluss von Drehgebern, Lichtschranken und Strobe-Controllern bietet. Es ist eine echte Single-PCI-Express-Slot-Lösung für Bildverarbeitungs-Anwendungen, denn die wichtigsten Ein- und Ausgänge befinden sich auf dem gleichen Slot-Blech wie die BNC-Anschlüsse.
Ebenfalls bei Rauscher erhältlich ist die 16k-Zeilenkamera »ELiiXA+« von e2v. Ihr CMOS-Sensor verfügt über 16.384 Pixel, die mit einer Zeilenrate von bis zu 100 kHz ausgelesen werden. Mit 5 μm Pixelgröße ist der Sensor auch hinsichtlich Optik gut handhabbar. Eine scharfe Abbildung ist über die gesamte Sensorlänge von 82 mm sichergestellt.
Der Aufbau des Multi-Line-Sensors sorgt für einen Dynamikumfang von 73 dB: Vor der Analog-Digital-Wandlung ermöglicht das Design der Photodiode einen hohen Charge-Conversion-Faktor. Die Verstärker sind direkt neben den aktiven Bildpunkten angeordnet, was zu einer Quanteneffizienz von 72 Prozent bei 550 nm führt. Weil die vier Sensorzeilen direkt nebeneinander liegen, bleibt die Bildschärfe - im Gegensatz zu Kameras mit Abständen zwischen den Zeilen - auch beim Blick bis zu 45° auf das Objekt voll erhalten.
Die »ELiiXA+« umfasst Funktionen wie manuelles und automatisches Tap-Balancing, FFC, Kontrastspreizung, Lookup-Tables (LUTs) sowie analoges und digitales Binning. Zu haben ist die Kamera mit CameraLink-Full-Interface, das eine Übertragungsrate von 850 MByte/s und eine Zeilenrate von 50 kHz ermöglicht. Seine volle Geschwindigkeit erreicht das Gerät aber mit CoaXPress, und zwar vier Links in der CXP-6-Konfiguration: 100 kHz Zeilenrate und 16,4 GBit/s Datenrate.
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