Ist GigE Vision® Over 10 GigE der Herausforderung gewachsen?

(openPR) Die Idee einer Video-Schnittstellen-Technologie, die die Vorteile herkömmlicher Ethernet-Plattformen nutzen könnte, entstand bereits 2003 und wurde von der Automated Imaging Association (AIA) 2006 als GigE Vision® Standard bestätigt. Kurze Zeit später machte sich die industrielle Bildverarbeitung den GigE Vision Standard zu Eigen und entwickelte ihn rasch zum wachstumsstärksten Standard für anspruchsvolle Anwendungen.

Die bestehenden Video-Schnittstellen-Standards haben jedoch gewisse Defizite bei den Hochleistungsintegratoren für Bildverarbeitungssysteme. Der Markt verlangt zunehmend nach Schnittstellen-Standards der nächsten Generation, die die folgenden Bedürfnisse erfüllen können, d.h.:

I neue technische Anforderungen
II höhere Datenrate
III problemlose Integration und
IV kostengünstige Geräte

In Folge dieser Anforderungen ziehen jetzt viele Systemintegratoren und -entwickler eine Verlagerung von GigE Vision® Over 1 Gb/s zu GigE Vision® Over 10 Gb/s in Erwägung. Darüber hinaus sind auch noch zwei weitere Video-Schnittstellen-Standards als potentielle Alternativen zu GigE Vision® Over 10 GigE entstanden: CoaXPress und Camera Link HS™.
Angesichts dieser konkurrierenden Video-Schnittstellen-Standards stellt sich der Markt jetzt die Frage, ob GigE Vision® Over 10 GigE der Herausforderung gewachsen ist? Der vorliegende Artikel beschäftigt sich mit dieser Frage vor dem Hintergrund der oben erwähnten Bedürfnisse.

I Neue technische Anforderungen

Die Anwendungen für die Bildübertragung in Echtzeit nehmen rasch zu, und in Folge dessen haben sich die technischen Anforderungen der Systementwickler weiterentwickelt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf (a) Verkabelungseigenschaften und Abstand, (b) Anzahl der Kameras und (c) Energieverbrauch/Wärme.

I a. Verkabelungseigenschaften und Abstand

Der Verkabelung kommt bei der praktischen Systemauslegung eine große Bedeutung zu. Die technischen Eigenschaften der Verkabelung können sich einerseits auf die Entwicklung auswirken und sind andererseits auch für das Leistungsniveau des Systems insgesamt wichtig. Diese Überlegungen gelten auch für den Verkabelungsabstand.
Die Verkabelungseigenschaften, die hierbei berücksichtigt werden müssen, sind die Verfügbarkeit im Rahmen einer Serienfertigung, die Größe der Verbindungselemente und die Flexibilität/Biegeradius. Wenn es um die Verfügbarkeit geht, sind Kabel für CoaXPress, Camera Link HS und GigE Vision® Over 10 GigE jederzeit erhältlich. Die drei neuen Schnittstellen bieten alle relativ kleine Verbinder, die befestigt werden können, nachdem die Verkabelung angebracht wurde, so dass das Verlegen der Kabel über kleine Kanäle einfacher wird.

Darüber hinaus bieten CoaXPress, Camera Link HS und GigE Vision® Over 10 GigE alle eine flexible Verkabelung, die einen ausgezeichneten Biegeradius ermöglicht.
Während die drei Schnittstellen der nächsten Generation vergleichbare Vorteile in Bezug auf die technischen Verkabelungseigenschaften bieten, zeigen sich Unterschiede beim Verkabelungsabstand. Und der Abstand ist zweifelsohne das wichtigste Kriterium, wenn es um die Verkabelung geht. Bildverarbeitungssysteme hatten sehr lange unter den Entwicklungsbeschränkungen zu leiden, die sich durch die Einschränkungen beim Abstand ihrer Verkabelung ergaben. Markante Beispiele hierfür sind Camera Link mit einem maximalen Kabelabstand von 10 m und USB mit nur 3 m. Bei größeren Abständen zwischen den Kameras und den PCs haben die Systementwickler eine gewisse Flexibilität, um die Verarbeitungssysteme entfernt von ungünstigen Fertigungs- oder Qualitätsprüfumgebungen zu platzieren. Dadurch sind ebenfalls kompaktere Prüfsysteme möglich, da weder Gewicht noch Größe der für die Verarbeitung eingesetzten unhandlichen PCs bei der Auslegung der mechanischen Eigenschaften des Systems berücksichtigt werden müssen.
Wie in der Abbildung 1 gezeigt wird, beträgt der Abstand bei der CoaXPress-Verkabelung 40 m, um die maximal mögliche Geschwindigkeit von 6,25 Gb/s zu erzielen. (Bei CoaXPress ist sogar ein Kabelabstand von 130 m möglich, dadurch wird die Durchlaufgeschwindigkeit jedoch drastisch auf 1,25 Gb/s reduziert.) Diese Abstände stehen im krassen Gegensatz zu den praktisch endlosen Kabellängen, die Glasfaserkabel bieten, die bei Camera Link HS und GigE Vision® Over 10 GigE zum Einsatz kommen und die über mehrere Kilometer geführt werden können.

I b. Anzahl der Kameras

Wenn ein System mehrere Kameras benötigt, kann der Kamerahersteller darauf reagieren, indem er ein Gerät entwickelt, das über verschiedene Sensoren und eine einzige Übertragungsschnittstelle verfügt. Die Systementwickler haben andererseits die Möglichkeit, auf diese Anforderung einzugehen, indem sie Vorrichtungen integrieren, die z.B. mehrere mittlere Schnittstellen oder Basisschnittstellen des Typs Camera Link zu einer einzigen GigE Vision® Over 10 GigE Verbindung zusammenfassen. Sie könnten sich ebenfalls dafür entscheiden für einen Ethernet-Switch mehrere Kameras vorzusehen, wobei ein Sammeldatenstrom an einen oder mehrere PCs über eine Verbindung pro PC weitergeleitet wird.
Wenn eine bestimmte Systemauslegung mehrere Kameras vorsieht, ist die maximale Bandbreite (die in Abbildung 1 angesprochen wird) von enormer Bedeutung, wenn eine Auswahl unter den drei neuen Schnittstellen getroffen wird. Wenn der Schnittstellen-Standard eines Systems eine ausreichende Bandbreite bietet, sind die Entwickler in diesem Fall in der Lage, mehrere Kabel durch eine Verbindung zu ersetzen. So kann zum Beispiel eine qualitativ anspruchsvolle Implementierung von GigE Vision® Over 10 GigE problemlos Bilder von vier Sensoren mit 2,0 Gb/s oder sogar fünf Sensoren mit 1,6 Gb/s übertragen (unter Berücksichtigung der Protokollverwaltung). Dies ist insbesondere bei Systemen nützlich, die nur wenig Platz für Kabel und Verbindungselemente bieten, da die Kabel hier selbst bei einer Erweiterung der Leistungsmerkmale und der Kapazität konsolidiert werden können.

I c. Energieverbrauch/Wärmeentwicklung

Wenn die Systementwickler höhere Geschwindigkeiten vorsehen, werden sie im Gegenzug mit einem höheren Stromverbrauch/Wärmeentwicklung konfrontiert. Dieser Nachteil kommt jedoch bei allen drei weiterentwickelten Schnittstellen für die Bildverarbeitungssysteme der nächsten Generation zum Tragen. Da die Geschwindigkeiten und Funktionalitäten ähnlich sind, nutzen die neu entwickelten Kameras und Systeme, bei denen diese Schnittstellen zum Einsatz kommen, FPGAs derselben Klasse und weisen ebenfalls ähnliche Speicheranforderungen auf, so dass der Energieverbrauch bei allen drei Schnittstellen vergleichbar ist.

II Höhere Datenrate

Da die Systementwickler höhere Datenübertragungsraten anstreben, erfolgt die Bewertung der Video-Schnittstellen-Standards zunehmend in Bezug auf die maximale Geschwindigkeit, die über ein Kabel erzielt werden kann.

Abbildung 1: Schnittstellenvergleich unter Berücksichtigung der Datenrate und der Einschränkung durch Kabellängen.

Bei Längen über 15 m bietet GigE Vision® Over 10 GigE, wie in der Abbildung 1 gezeigt, die größte Bandbreite der drei neuen Video-Schnittstellen mit 10 Gb/s beim Einsatz nur eines Kabels. Die Geschwindigkeit für Einzelkabel bei CoaXPress beträgt 6,25 Gb/s (mit 40 m), während die Geschwindigkeit bei Camera Link HS bei 3,125 Gb/s liegt, wenn Glasfaserkabel verwendet werden.
Die Sensoren innerhalb zahlreicher aktuell erhältlicher Hochgeschwindigkeitskameras erfordern den Einsatz des Camera Link Medium-Standards (4,08 Gb/s) oder Camera Link Full-Standards (6,12 Gb/s). Bei einem Vergleich des Durchsatzpotentials dieser drei Schnittstellen-Standards und einem Einzelkabel mit einem angemessenen Abstand kann nur GigE Vision® Over 10 GigE für einen angemessenen Durchsatz bei diesen weiterentwickelten Sensoren sorgen. Deshalb bleibt GigE Vision® Over 10 GigE auch eine ideale Plattform für die Entwicklung von Kameras mit bestehenden/bekannten Sensoren bzw. für das Zusammenfassen von Bildern über zwei Sensoren über ein einzelnes Kabel, wenn diese individuell jeweils eine Camera Link Medium-Schnittstelle erfordern würden.

III Problemlose Integration

Ein Systemintegrator wird sicherlich einen Schnittstellen-Standard zu schätzen wissen, der eine problemlose Aktualisierung ermöglicht. Bei der Aktualisierung eines Systems sind die zwei Schwachstellen (a) die Software und (b) die innerhalb des Systems bereits vorhandenen Kameras.

III a. Software

Bei einer Vielzahl bereits bestehender – handelsüblicher oder kundenspezifisch angepasster Softwareprogramme für die Analyse und Verarbeitung – wäre es nicht nur ineffizient sondern ebenfalls sehr teuer, die Bilderfassung eines Bildverarbeitungssystems neu zu konzipieren, wenn eine neue Schnittstelle verwendet wird.
GigE Vision® Over 10 GigE erfordert den geringsten Aufwand bei der Codeentwicklung und ermöglicht dadurch nicht nur eine Einsparung bei den Kosten und der Zeit, sondern ebenfalls eine Risikominimierung. Genauso wie dies auch bei früheren Generationen von Ethernet der Fall war, ermöglicht 10 GigE eine Rückwärtskompatibilität. Darüber hinaus können im Rahmen der Einführung von GigE Vision® 2.0 im Jahr 2011 Schnittstellen des Typs 10 GigE formell in den Standard integriert werden, das Protokoll selbst ändert sich jedoch durch diese Aufnahme nicht. Dies bedeutet, dass der aus der Sicht der Software aufwändigste Schritt bei der Annahme von 10 GigE darin besteht, sicherzustellen, dass die Software die höhere Datenrate unterstützen kann. Im Gegensatz dazu benötigen CoaXPress und Camera Link HS neue Erfassungsbibliotheken für die Framegrabber, und diese Bibliotheken können von einem Hersteller zum anderen unterschiedlich sein.
Ein weiterer Aspekt, der aus der Sicht der Software abschließend berücksichtigt werden muss, umfasst den Umgang mit den Daten, die während der Datenübertragung verloren gehen. Die Protokolle für Camera Link HS und GigE Vision® Over 10 GigE enthalten beide Mechanismen für die erneute Versendung, CoaXPress hat solche Mechanismen nicht. In einer lauten Umgebung ist diese Funktion zum erneuten Versenden von Daten sehr wichtig. Wenn in Sachen Datenintegrität ein geringes Risiko und niedrige Kosten gefragt sind, ist es für die Systemintegratoren von Vorteil, dass der bei GigE Vision® Over 10 GigE verwendete Mechanismus zum erneuten Versenden dem von Systemen auf Basis von 1 GigE entspricht, der bereits umfassend geprüft und eingesetzt wurde.

III b. Vorhandene Kameras

Der Einsatz von GigE Vision® Over 10 GigE hat einen weiteren Vorteil in Bezug auf die Vermeidung von Kosten und Risiken, d.h. es können weiterhin die aktuellen Kameras von GigE Vision mit 1 Gbps verwendet werden. Dadurch können die Systementwickler kostspielige Aktualisierungen umgehen, da sie sich für handelsübliche Kameras entscheiden oder bereits vorhandene Kameras erneut nutzen können und trotzdem die Möglichkeit haben, 10 GigE für Sensoren mit höherem Durchsatz einzusetzen. CoaXPress und Camera Link HS können diesen Vorteil des "Kombinierens" nicht bieten.

IV Kostengünstige Geräte

Systementwickler sind stets auf der Suche nach kostengünstigen Geräten, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Zwei Faktoren, die sich auf die Gerätepreise auswirken, sind (a) die Marktakzeptanz und (b) die Skalierbarkeit der Geräte.

IV a. Marktakzeptanz

Die zunehmende Akzeptanz eines Video-Schnittstellen-Standards führt dazu, dass die Entwickler/Integratoren die spätere Reproduktion und die Endanwender den späteren Austausch der Systeme kostengünstiger durchführen können. Zwei Elemente spielen bei der Akzeptanz neuer Video-Schnittstellen-Standards eine große Rolle, d.h. die Unterstützung durch die Industrie und ob es eine Unterstützung außerhalb der industriellen Bildverarbeitung (Akzeptanz außerhalb der Industrie) gibt.
Systementwickler und Endanwender zeigen sich besorgt bezüglich der Unterstützung durch die Industrie für eine bestimmte Schnittstelle, weil sich diese auf die zukünftige Implementierung von Bildverarbeitungssystemen auswirken kann. Wenn sich eine Schnittstelle als unzuverlässig herausstellt oder diese mit der Zeit nicht mehr so häufig genutzt wird, ist es teuer, diese erneut zu entwickeln bzw. bestehende Systementwürfe auf einen anderen Schnittstellen-Standard umzustellen. Darüber hinaus sind keine teureren Änderungen erforderlich, wenn ein Standard mit den zukünftigen Produktentwicklungen eines Unternehmens mithalten kann. Die Unterstützung der Industrie für einen bestimmten Standard lässt sich nicht immer konkret messen, insbesondere wenn die fraglichen Standards in einer bestimmten Branche ganz neu sind, die Analysten legen jedoch üblicherweise zugrunde, wie lange der Standard bereits existierte, wie glaubwürdig das Unternehmen ist, das den Standard verwaltet, und ob der Standard akzeptiert wird. Die Abbildung 2 enthält einen Überblick in Bezug auf diese Überlegungen.

Abbildung 2: Industrieunterstützung für die neuen Schnittstellen-Standards

Die Akzeptanz außerhalb der Industrie ist nicht nur richtungsweisend für die aktuelle und zukünftige Unterstützung seitens der Industrie sondern wirkt sich langfristig ebenfalls drastisch auf die Kosten aus. Die Wirtschaftlichkeit im Zusammenhang mit einer Akzeptanz außerhalb der Industrie führt zu Kostensenkungen, die wiederrum die Nachfrage und weitere Investitionen bei der Verbesserung der Technologie steigern.
GigE Vision® Over 10 GigE ist der einzige Schnittstellen-Standard, der Ethernet bieten kann und darüber hinaus weltweit noch außergewöhnlich populär ist. Das enorme Ausmaß der Telekommunikationsindustrie und der exponentielle Marktzuwachs für die 10 GigE-Technologie lassen darauf schließen, dass diese Technologie die günstigste Video-Schnittstellen-Technologie auf dem Markt werden wird. Der Preis pro Port fällt kontinuierlich seit 2006, wie der Abbildung 3 entnommen werden kann, und umfassende Untersuchungen bestätigen, dass die 10 GigE-Technologie in den nächsten beiden Jahren um mehr als 50 Prozent günstiger werden wird.

Abbildung 3: Die Kosten für 10 GigE-Technologie werden bis 2014 wahrscheinlich bis zu 60% fallen.

Während diese Zahlen darauf schließen lassen, dass GigE Vision® Over 10 GigE eine eindrucksvolle Zukunft vor sich hat, sollte zur Kenntnis genommen werden, dass diese Zukunft bereits begonnen hat – 10 GigE NICs sind jetzt üblicherweise bereits für unter $ 400 pro Port erhältlich, und auch die Verkabelung ist jetzt deutlich günstiger als noch vor einem Jahr.

IV b. Systemskalierbarkeit

Abschließend sollte noch die Skalierbarkeit des Systems näher beleuchtet werden, um herauszufinden, ob diese für zukünftige Innovationen und Verbesserungen geeignet ist.
Aus den in Frage kommenden Schnittstellen ist nur GigE Vision® Over 10 GigE mit handelsüblichen Verteilungssystemen – d.h. Ethernet-Switches, kompatibel. Darüber hinaus bieten Multicast-Funktionen – ein wichtiger Bestandteil der meisten vernetzten Geräteimplementierungen – die Möglichkeit, Bilder einer einzigen Kamera gleichzeitig an mehrere Ziele weiterzuleiten.
Die Mehrfachversendungsfunktion ermöglicht die Entwicklung erweiterter Analysesysteme, bei denen eine Reihe kostengünstiger PCs gleichzeitig Bilder der einzelnen Kameras erhalten und diese analysieren können, wobei jeder PC nach einem anderen Fehler sucht. Die Ergebnisse dieser Analysen können von einem Haupt-PC erfasst werden, der die abschließende Prüfungsentscheidung trifft.
Darüber hinaus spielt diese Funktion ebenfalls eine wichtige Rolle beim Einsatz neuer Analysealgorithmen. Wenn verschiedene PCs die vorhandenen Algorithmen durchlaufen, können neue PCs, die mit experimentellen Algorithmen konfiguriert wurden, exakt dieselben Bilder wie die bereits "in Betrieb befindlichen" PCs empfangen. Diese neuen Algorithmen lassen sich sicher erlernen, prüfen und weiterentwickeln, ohne dass es zu Beeinträchtigungen für die Produktion kommt.
Nachdem die neuen Algorithmen genehmigt wurden, können die PCs in Betrieb genommen werden, ohne dass eine einzige Änderung an der Verkabelung vorgenommen werden muss.
Da die Einführung neuer Algorithmen eher selten der Fall ist, können durch diese Art von Architektur die Kosten und dabei entstehenden Risiken drastisch verringert werden. Dieser Denkansatz unterstützt ebenfalls die Planungen im Rahmen der Katastrophenbehebung: Wenn einer der PCs während des Systembetriebs ausfällt, kann ein Sicherungs-PC eingesetzt werden (auch hier ohne eine einzige Kabeländerung). Diese Art von Ausfallsicherung könnte ebenfalls automatisch, d.h. ohne Bedienerintervention, durchgeführt werden, wenn sich die Fehlererkennung automatisieren lässt.

Schlussfolgerung

Die Entwicklungsgeschichte von GigE Vision® mit unzähligen im Einsatz bewährten Anwendungen sorgt dafür, dass dieser Standard für alle Integratoren, die ihre Durchsatzkapazität über 1 Gb/s hinaus erweitern wollen, eine gute Wahl darstellt. Die Nachfrage und Entwicklung neuer Schnittstellen-Standards, wie z.B. CoaXPress und Camera Link HS, zeugen von der Stärke der Bildverarbeitungsindustrie insgesamt. In der Tat zeigen die kürzlich veröffentlichten Zahlen von AIA auf, dass der Verkauf von Elementen und Systemen aus der Bildverarbeitungsindustrie in Nordamerika um 54 % im Jahr 2010 auf fast $1,8 Milliarden anstieg.
Im Rahmen einer ganzheitlichen Bewertung dieser drei Schnittstellen der nächsten Generation, kann GigE Vision® Over 10 GigE seine Position als bevorzugte Schnittstelle für weiterentwickelte Bildverarbeitungssysteme festigen. Während CoaXPress und Camera Link HS zwar neue Vorteile ermöglichen, kann nur GigE Vision® Over 10 GigE auf die neuen technischen Anforderungen und die höhere Bandbreite führender Bildverarbeitungssysteme reagieren und gleichzeitig eine Aktualisierung mit geringen Risiken und angemessenen Kosten bieten.

Verfasser: John Phillips, leitender Produktmanager, Pleora Technologies Inc.