Machine-Vision-Schnittstellen USB 3.0 - jetzt gehts los

Dr. Fritz Dierks, Basler: »USB3 Vision definiert einen Transportlayer, und GenICam ermöglicht Plug-and-Play.«
Dr. Fritz Dierks, Basler: »USB3 Vision definiert einen Transportlayer, und GenICam ermöglicht Plug-and-Play.«

Die Gigabit-Ethernet-Schnittstelle und der mit ihr verbundene Transportlayer-Standard GigE Vision bekommen ernsthafte Konkurrenz: USB 3.0 schickt sich an, die industrielle Bildverarbeitung zu erobern, und USB3 Vision als Pendant zu GigE Vision steht schon in den Startlöchern.

Wie GigE Vision soll auch USB3 Vision mit der von Hardware-Interfaces unabhängigen Software-Schnittstelle GenICam (Generic Interface for Cameras) einhergehen.

Im Jahr 2006 verabschiedet, begann der GigE-Vision-Standard bald seinen Siegeszug: Er ermöglichte preisgünstige Kameras mit bis zu 100 m Kabellänge und 1 GBit/s Bruttobandbreite, die dazu noch ohne Framegrabber erreichbar war (auch wenn mittlerweile Gigabit-Ethernet-Framegrabber erhältlich sind). Als »Zuckerl« mit dazugereicht wurde GenICam, eine allgemeingültige Software-Schnittstelle, die es Kameras erlaubt, ihre Funktionen einer generischen, sprich: Hardware-unabhängigen, Software mittels einer standardisierten XML-Beschreibungsdatei mitzuteilen. GenICam entkoppelte also die Kameraschnittstellentechnik vom Benutzer-API (Application Programming Interface), was Kameras unterschiedlicher Hersteller und Schnittstellentechniken per Plug-and-Play in ein und demselben Bildverarbeitungssystem nutzbar machte. Diese Gemengelage schob den bandbreitenstärkeren, aber aufwändigeren, Framegrabber-gestützten CameraLink-Standard in die High-End-Ecke und brachte analoge Kameras in echte Bedrängnis, zumal Bildsensoren mit CCD- oder - in zunehmendem Maße - CMOS-Technik immer schärfere und höher auflösende Bilder lieferten.

Weil immer mehr Kamerahersteller Gigabit-Ethernet-Geräte mit GigE Vision auf den Markt brachten, begannen die Preise zu verfallen: »Gigabit-Ethernet-Kameras sind mittlerweile genauso preisgünstig wie Analogkameras«, betont Dr. Dietmar Ley, CEO des in Ahrensburg bei Hamburg ansässigen Kameraherstellers Basler. »Nicht von ungefähr hat Gigabit Ethernet FireWire als Bildverarbeitungs-Schnittstelle gemessen am Marktanteil überholt und steht kurz davor, Analog zu überholen.«

Die USB-Schnittstelle dagegen hatte in der Bildverarbeitungs-Branche bisher den Ruf, das Niedrigpreissegment zu bedienen: Als USB 2.0 erreicht sie eine Bruttobandbreite von 480 MBit/s und eine Nettobandbreite von 40 MByte/s. Mit dem Aufkommen von USB 3.0 dürfte sich jedoch das Bild von USB in der Branche ändern: »Die Version 3.0 des USB-Standards bewältigt 5 GBit/s brutto und 400 MByte/s netto, also 10-fache USB-2.0- und 3,5-fache Gigabit-Ethernet-Geschwindigkeit«, erläutert Bettina Ronit Hörmann, zuständig für technische Kommunikation beim Kamerahersteller IDS Imaging Development Systems im nordwürttembergischen Obersulm. »USB 3.0 macht also Hochgeschwindigkeits-Interfaces durchaus Konkurrenz, zumal die Schnittstelle einen wesentlichen Preisvorteil gegenüber FireWire- und CameraLink-Lösungen bietet.« Der Preis für Kameras mit USB 3.0 ist ebenfalls schon sehr niedrig: »Das Preisniveau von Gigabit Ethernet lässt sich bereits im aktuellen Stadium auch mit USB 3.0 erreichen«, stellt Ley fest.

Außer der hohen Bandbreite und dem günstigen Preis bietet USB 3.0 für die industrielle Bildverarbeitung noch weitere Vorteile: Die Stromversorgung erfolgt über den USB-Bus - im Gegensatz zur Gigabit-Ethernet-Schnittstelle, die dafür den Zusatzstandard Power over Ethernet (PoE) benötigt. Wie Gigabit Ethernet ermöglicht auch USB 3.0 Vollduplex-Datenübertragung. Für Mehrkamerasysteme ist USB 3.0 ebenfalls geeignet: »Wir haben auf der Vision 2011 ein Demosystem mit acht USB-3.0-Kameras unserer neuen Serie ‚USB 3 uEye CP‘ vorgeführt«, sagt Hörmann. »Die Kameras hatten eine Bildsensor-Auflösung von 1,3 Megapixel und eine Bilderfassungsrate von 25 Frames pro Sekunde. Über ein und dasselbe USB-3.0-Kabel wurden pro Sekunde 250 MByte an den angeschlossenen Rechner übertragen - in Mehrkamerasystemen müssen sich die beteiligten Kameras ja die verfügbare Bandbreite teilen. Das vorgestellte System zeigt deutlich, dass die ‚USB-3-uEye-CP‘-Kameras schon jetzt Anwendungen ermöglichen, die sich bisher nur schwer realisieren ließen und vor allem ein Vielfaches an Material benötigten.«

Was die Kabellänge anbelangt, wird oft angegeben, dass bei USB-3.0-Kabeln nur eine maximale Länge von 5 m möglich und USB 3.0 in der Industrie demzufolge nicht überall einsetzbar sei. Hörmann zufolge stimmt dies so jedoch nicht ganz: »Die Standard-Kabellänge beträgt zwar 3 bis 8 m gegenüber 100 m bei Gigabit Ethernet«, verdeutlicht sie. »Mittels eines zwischengeschalteten Repeaters lassen sich aber Kabellängen von etwa 20 m erreichen. Wenn man die Signale optisch wandelt und über ein Glasfaserkabel überträgt, sind sogar 100 m durchaus möglich. USB 3.0 als Schnittstelle ist also eindeutig industrietauglich.« Die magische Marke von 100 m sei also auch mit USB 3.0 mit geringfügig höherem Aufwand als bei Gigabit Ethernet machbar. (Abgesehen davon eröffnet Gigabit Ethernet ebenfalls die Chance, auf Glasfaser zu gehen und so die Kabellänge zu vergrößern.)