Neue Schnittstellen schaffen die Voraussetzungen für höhere Bildsensor-Auflösungen und Frame-Raten Welche Schnittstelle darf es sein?

Michael Noffz, Silicon Software
Michael Noffz, Silicon Software

Die Gigabit-Ethernet-Schnittstelle mit den Standards GigE Vision und GenICam hat sich zwar in der industriellen Bildverarbeitung weitgehend durchgesetzt. Sie wird aber auch künftig nicht allein auf weiter Flur stehen: Neue bandbreitenstarke Schnittstellentechniken wie CoaXPress und CameraLink HS halten Einzug, und USB 3.0 steht in den Startlöchern. Ethernet schlägt indes mit der Link-Aggregation-Group-Technik (LAG) und der künftigen Version 10GigE zurück.

Wer tagtäglich mit industrieller Bildverarbeitung zu tun hat, neigt in vielen Fällen dazu, die Schnittstelle eher als notwendiges Übel zu betrachten. Dies ist verständlich, findet doch die eigentliche Bildverarbeitung nicht in der Schnittstelle, sondern vor und besonders hinter ihr statt. Dennoch ist und bleibt die Schnittstelle ein unentbehrlicher Bestandteil jedes Bildverarbeitungssystems: Erst sie ermöglicht es, die erfassten Bilddaten von Multi-Megapixel-Bildsensoren in der gewünschten Geschwindigkeit zur Verarbeitung und Analyse in den PC zu »schaufeln«. Nicht von ungefähr erblicken immer wieder neue, noch bandbreitenstärkere Schnittstellentechniken das Licht der Welt und wetteifern mit den etablierten Standards um die Gunst der Gerätehersteller, Systemintegratoren und Endkunden.

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Welche Schnittstelle darf es sein?

Welche Schnittstelle darf es sein?

CoaXPress und CameraLink HS

Die neuesten Angebote auf dem Schnittstellen-Markt sind die Framegrabber-gestützten Techniken CoaXPress und CameraLink HS. Bei der CoaXPress-Schnittstelle lassen sich über ein einziges Standard-Koaxkabel sowohl Bild-, Kommunikations- und Steuerungsdaten zwischen Kamera und Framegrabber übertragen als auch die Stromversorgung der Kamera bewerkstelligen. Die Übertragungsrate von der Kamera zum Framegrabber (Downlink) beträgt bis zu 6,25 GBit/s pro Kabel für Video- und Bilddaten und in umgekehrter Richtung (Uplink) stets 20 MBit/s für Kommunikations- und Steuerungsdaten. Der Jitter der Schnittstelle liegt im Mikrosekundenbereich, und die Kabellänge kann bis zu 100 m betragen.

CameraLink HS, anfangs »HSLink« genannt, bietet eine skalierbare Downlink-Bandbreite bei der Datenübertragung von 2,4 bis 48 GBit/s in x1- bis x20-Konfigurationen und in Schritten von jeweils 2,4 GBit/s. Im Uplink beläuft sich die Bandbreite stets auf 2,4 GBit/s. Die Kabellänge kann je nach Geschwindigkeit 15 oder bis zu 40 m betragen, und der Jitter liegt im Nanosekundenbereich.

Beide Schnittstellen treten allmählich in konkreten Produkten wie etwa Hochgeschwindigkeits-Kameras in Erscheinung, wobei CoaXPress einen zeitlichen Vorsprung hat: Der Standard ist anders als CameraLink HS schon verabschiedet. Im Gegensatz zur aus der Bürotechnik übernommenen Ethernet-Schnittstelle sind die beiden Techniken auf die High-Speed-Bildverarbeitung zugeschnitten: »Spezialisierte Schnittstellen wie CameraLink HS oder CoaXPress können individuelle Vorteile immer besser ausspielen als generalisierte Schnittstellen wie 10GigE«, erläutert Rupert Stelz, Gruppenleiter Bilderfassung bei Stemmer Imaging. »So lassen sich mit CoaXPress zwar nur 3,125 bzw. 6,25 GBit/s über einen einzelnen Link übertragen, dies aber - einschließlich der Spannungsversorgung für die Kamera - über 100 m hinweg, und zwar mit deutlich niedrigerer Verlustleistung als bei 10GigE über Kupferleitung. Auf der anderen Seite kann CameraLink HS mit einer speziellen Trigger-Implementierung aufwarten, deren niedriger Jitter es auch erlaubt, den Zeilentrigger für anspruchsvolle Zeilenkamera-Applikationen von einem Framegrabber zur Kamera zu übertragen.« 10GigE wiederum sei ein Industriestandard, für den es eine breite Auswahl an Komponenten wie Kabel oder Switches gebe. »Insofern ist bei jeder Applikation zu prüfen, welche Technologie die beste ist«, ergänzt Stelz. »In der Regel ist die Verfügbarkeit der Produkte für die Technologiewahl entscheidend.«

Die einfacher aufgebaute und kostengünstigere Schnittstelle ist CoaXPress: »Sie kommt aus einer Entwicklung, die eine analoge Infrastruktur nutzen, aber digitale Komponenten einsetzen wollte«, verdeutlicht Michael Noffz, Leiter Marketing von Silicon Software. »Die Entscheidung fiel auf eine hochfrequente serielle Übertragung über Koaxialkabel, die eine für analoge Verhältnisse sehr hohe Bandbreite mit sich bringt. Auch bei CameraLink HS handelt es sich um eine hochfrequente serielle Übertragung, jedoch orientiert an Bandbreiten im Gigabyte-Bereich.« Ethernet wiederum sei auch in seiner 10-Gigabit-Variante immer noch eine sehr interessante Schnittstelle: »Die Alleinstellung im Digitalbereich mit großer Kabellänge und preisgünstiger Anschaffung hat sie allerdings verloren«, stellt Noffz klar. »Bestehende technische Probleme wurden mit der Erweiterung nicht behoben. Sie werden vielleicht auch erst bei Multikamera-Anwendungen evident, dürften sich aber bei 10GigE umso deutlicher zeigen.« Im Kontext von CoaXPress und CameraLink HS werde 10GigE es nicht leicht haben, gerade weil beispielsweise die Temperaturentwicklung zu einem noch größeren Problem werden könne.

Noffz’ Unternehmen Silicon Software hat angekündigt, Framegrabber sowohl für CameraLink HS als auch für CoaXPress bereitzustellen. Die Framegrabber haben FPGA-Bausteine integriert, die auf Basis des graphischen Entwicklungs-Softwaretools »VisualApplets« einige Bilddaten-Vorverarbeitungs-Funktionen übernehmen. »Bereits in die Grundausstattung werden wir hochwertige Aufnahme- und Vorverarbeitungs-Funktionen integrieren«, stellt Noffz fest. »Die Farbumrechnung aus einer Bayerfilter-Kamera ist nur ein Beispiel. Wir werden die Anwendungsbibliotheken nicht nur für die neuen Framegrabber und Kameras anbieten, sondern auch über Drittfirmen das Angebot deutlich erweitern.« Der Kunde solle auch bei hohen Bandbreiten für seine Systeme umfangreiche Lösungsangebote erhalten, um die Technologie weiterhin zu beherrschen und seine CPU-Prozessoren zu entlasten.

Bei Datenübertragungsraten, wie sie CoaXPress und CameraLink HS ermöglichen, ist eine Vorverarbeitung mittels FPGA oder GPU generell sinnvoll: »Leistungsfähigere Schnittstellen wie CoaXPress und CameraLink HS, die immer höhere Bandbreiten zulassen, haben immer größere Datenmengen zur Folge, die verarbeitet werden müssen«, formuliert Stelz. »Dem kommt die rasante Entwicklung auf dem FPGA-Sektor sowie die Vorverarbeitung mit der GPU entgegen.« Noffz stimmt ihm zu: »Bei derartigen Systemen drängen sich Zusatzprozessoren wie FPGAs als Lösung auf«, sagt er. »Wir sehen viele Kunden, die sich für die neuen Schnittstellen und die schnellsten Produkte interessieren und uns heute schon fragen, welche Verarbeitungsbandbreite wir mit den Produkten erzielen werden und welche Verarbeitungsalgorithmen sich realisieren und auslagern lassen.«

Bleibt die Frage, welche Marktchancen die beiden neuen Schnittstellen letztlich haben. »Es fragt sich, wie viele neue Schnittstellen die industrielle Bildverarbeitung benötigt oder auch verkraften kann - schließlich stehen noch weitere neue Technologien zur Wahl«, legt Noffz dar. »CoaXPress hat sicherlich den großen Vorteil der Verfügbarkeit. Der besondere Charme ist zudem die Verwendung von Koaxialkabeln, die nicht nur preisgünstig, sondern teils noch als analoge Infrastruktur verbaut sind. Doch je mehr Kabel eine Kamera benötigt, desto mehr verliert sie ihre Eleganz.« Gerade bei einkanaligen Anwendungen werde CoaXPress hochinteressant sein. Die Durchsetzungskraft werde aber stark vom Preis bestimmt: »CoaXPress-Geräte haben ihre Mindest-Produktionskosten, die kaum zu unterschreiten sind«, gibt Noffz zu bedenken. »Zudem steht der neue Standard in direktem Wettbewerb zu Gigabit Ethernet und CameraLink, die durch fallende Preise zu Taktgebern in der Industrie geworden sind.«

CameraLink HS hat Noffz zufolge den Nachteil, dass die Spezifikationsphase noch nicht endgültig abgeschlossen ist: »Die Vorlaufmodelle orientieren sich aber an der höchstmöglichen Leistungsfähigkeit, so dass sich daraus eine Unterteilung der neuen Standards ergeben könnte«, sagt er. »In der jetzigen Phase beeinflusst auch die Verfügbarkeit einzelner Modelle noch die Marktchancen, weil das Angebot sehr übersichtlich ist. Daher lassen sich in einem Jahr eventuell die Marktchancen oder die Überlebenschancen angesichts der aktuellen Angebots- und Preisentwicklung genauer analysieren.«

Laut Jochen Schweizer, Leiter Systemlösungen und Software bei SVS-Vistek, wird sich CameraLink HS künftig im High-End- bzw. High-Speed-Segment etablieren. »Zu dessen Vorteilen gehören die besonders hohe Bandbreite, die auf ein paar Nanosekunden zeittreue Kommunikation und die Triggersteuerung«, führt er aus. »Nachteilig ist, wie auch bei CoaXPress, dass ein Framegrabber erforderlich ist. CoaXPress wiederum wird sich in den Anwendungen behaupten, wo koaxiale Leitungen schon großflächig verlegt sind und nicht ohne erheblichen Aufwand angepasst werden können oder dürfen. Hieraus ergibt sich ein spezifischer Vorteil: Wenn bereits eine Kabelinfrastruktur vorhanden ist, kann sie verwendet werden.«
Rupert Stelz beurteilt die Marktchancen beider Techniken positiv: »Bandbreitenhungrige Applikationen bzw. Kameras profitieren hauptsächlich von den neuen Standards«, führt er aus. »Weil sowohl Sensoren als auch Computer immer schneller werden, sind Übertragungsschnittstellen mit deutlich höheren Bandbreiten der logische Schritt in die Zukunft.«