Whitepaper: Die Vorteile von 10, 25, 50 und 100 GigE Vision verstehen
Ultrahohe Daten- und Bildraten, geringer CPU-Overhead, Kabellängenoptionen, Erschwinglichkeit und Einfachheit gehören zu den vielen Vorteilen von GigE Vision.
Angesichts der Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitslösungen für Bildverarbeitungsanwendungen haben Hersteller viele Möglichkeiten, wenn es um Komponenten geht. Framegrabber sind eine Möglichkeit. Durch Änderungen auf der Treiberebene – neben bestehenden Hochgeschwindigkeits-Netzwerkkartentechnologien – ist es jedoch möglich, Geschwindigkeiten von 100 GigE und mehr bei gleicher Leistung und geringeren Kosten als Framegrabber-basierte Technologien zu erreichen. Im Folgenden finden Sie eine kurze Zeitleiste von GigE Vision-Kameras; Details, Vorteile und Nutzen der Schnittstelle; und Informationen zur Verwendung von 10GigE bis zu 100GigE, um bei Bildverarbeitungslösungen in der Fertigung und darüber hinaus an der Spitze zu bleiben.
Ein kurzer Hintergrund zur Entwicklung von GigE-Kameras
2010 stellte Emergent Vision Technologies die erste Kamera mit einer 10GigE-Schnittstelle vor. Fortschrittliche Bildsensoren und die Nachfrage nach einer Schnittstelle mit höherer Geschwindigkeit führten 25 zur Markteinführung der ersten 2018-GigE-Kameras. Kontinuierlich steigende Sensorgeschwindigkeiten führten erneut zu einer Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Vision, was 100 zu 2020-GigE-Kameras führte (Abbildung 1).
Heute sind viele GigE Vision-Lösungen und Zubehör erhältlich. Im Allgemeinen bestimmen Kameras Auflösung und Bildrate, die bestimmende Faktoren in Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsanwendungen sind. Aber auch Zubehör und Integration spielen eine wichtige Rolle im Rahmen der Bildaufnahme. Ein renommiertes Unternehmen für Bildverarbeitungstechnologie bietet eine vollständige Akquisitionslösung und berät zu einer gut getesteten Architektur, um die für Ultrahochgeschwindigkeitsanwendungen erforderliche Leistung bereitzustellen.
Konventionell zu optimiertem GigE
Das herkömmliche GigE-Frame-Erfassungsmodell ist in Abbildung 2 dargestellt. Wenn 1 GigE nicht optimal ist, werden Intel PRO/1000-basierte Netzwerkschnittstellenkarten (NICs) für eine leistungsstärkere Treiberimplementierung bevorzugt.
Das in Abbildung 3 gezeigte optimierte GigE-Modell bietet Remote Direct Memory Access (RDMA) und RDMA over Converged Ethernet (RoCE). Dieses System bietet eine geringe CPU-Auslastung und keine fehlenden Frames, mit geringem Jitter und Latenz, die mit CoaXPress (CXP) identisch sind.
Das RDMA-optimierte GigE-Modell bietet direkten Zugriff vom Speicher eines Hosts (Speicher oder Computer) auf den Speicher eines anderen Hosts, ohne das Remote-Betriebssystem und die CPU einzubeziehen. RoCE ist das Standardprotokoll, das die effiziente Datenübertragung von RDMA über Ethernet-Netzwerke ermöglicht und eine Transportauslagerung mit Hardware-RDMA-Engine-Implementierung ermöglicht. Dieses Designnetzwerk optimiert die Leistung mit geringerer Latenz, geringerer CPU-Last und höherer Bandbreite.
Der GigE Vision-Vorteil
Mit der IEEE-Standardisierung und dem Erfolg von GigE-Lösungen haben Hersteller viele Optionen für Hardware, Software und Zubehör. Beispielsweise kann eine GigE Vision-Lösung eine handelsübliche NIC- oder FPGA-Karte verwenden, um eine direkte Verbindung zu einer 100GigE-Kamera herzustellen, wodurch die Systemkomplexität reduziert wird.
Ein Treiber für das Design von Bildgebungssystemen ist die Nachfrage nach fortschrittlicherer maschineller Bildverarbeitung. Grafikprozessoren (GPUs) werden zunehmend in Anwendungen eingesetzt, die beispielsweise höhere Geschwindigkeiten, 3D-Bildgebung und Deep Learning beinhalten. Durch die Integration einer GPU können KI-Lösungen eingeführt werden, um fortschrittliche Bildgebungssysteme anzutreiben. Ein großer Fortschritt in der KI-Verarbeitungstechnologie ist NVIDIAs BlueField-2, das eine NIC und eine GPU zu einer Ein-Karten-Lösung kombiniert. Solche Innovationen entwickeln sich weiter und erweitern die Möglichkeiten der Bildverarbeitungs- und Bildgebungstechnologien.
Mit handelsüblichem Zubehör von Drittanbietern, GPU-Unterstützung, schneller Datenübertragung und steigenden Bildraten; Die Vorteile von GigE-Kameras erweitern den Einsatz außerhalb der Fabrik. Wie in Abbildung 4 gezeigt, liefern zwei 25-GigE-Kameras mit einer dualen NIC und einer NVIDIA Xavier-GPU die präzise Architektur für die Bereitstellung von Drohnensystemen.
Da Imaging-Lösungen die Fabrik verlassen, wird die Fähigkeit von GigE Vision, die Komplexität zu reduzieren, für OEMs immer wichtiger. Da SFP+ (10G), SFP28 (25G) und QSFP28 (100G) kostengünstige Standard-Transceiver-Teile anbieten, kann eine Singlemode-Faser außerdem bis zu 10 km und mehr laufen. Die Kabellänge erweist sich als kritisch bei Anwendungen, bei denen die Kamera möglicherweise weit vom PC entfernt sein muss, wie z. B. Überwachung, Transport und Sporttechnik. Kurz gesagt, die Vorteile der Einführung von GigE-Kameras umfassen:
• Ultrahohe Daten- und Bildraten
• Zubehör und Kabeloptionen zur Überbrückung großer Entfernungen
• Kamerasynchronisation mit PTP (Precision Time Protocol)
• Kamera-Multiplexing und -Multicasting
• Geringer CPU-Overhead, geringe Latenz und geringer Jitter
• Starke branchenübergreifende Akzeptanz durch IEEE-Standardisierung
• Wettbewerbsfähige Kosten und Leistung
Praxisbeispiele und Vergleiche: GigE Vision versus CoaXPress
Die GigE Vision-Lösung in Abbildung 5 zeigt 24 10GigE-Kameras, einen Switch für die PTP-Synchronisation, Multiplexing der 24 Kameras auf duale 100G-Verbindungen und eine 100G-Dual-NIC mit einem Steckplatz zum Platzieren der Einzelbilder im Systemspeicher. Das äquivalente CXP-System erfordert drei Oktal-Framegrabber. Die Unterschiede zwischen 10GigE und CXP6 in diesem Beispiel sind in Tabelle 1 dargestellt.
Eine weitere reale Bereitstellung in Abbildung 6 zeigt 12 25GigE-Kameras, einen Switch und eine duale 100G-NIC. Damit ein CXP-System das gleiche Leistungsniveau wie dieses Setup erreicht, wären 12 CXP12-Kameras plus drei separate CXP12-Framegrabber erforderlich. Diejenigen, die eine Glasfaser-CXP-Option für längere Entfernungen einsetzen möchten, müssten außerdem sechs Glasfaseradapter in die Materialliste aufnehmen, was die Gesamtkosten des Projekts weiter erhöht.
In einem anderen Beispiel in Abbildung 7 wären 2 CXP12-Kameras – jede mit 8 Ports – zusammen mit 4 CXP-12-Framegrabbern erforderlich, um einem GigE-Vision-Setup zu entsprechen, das aus zwei 100-GigE-Kameras besteht, die mit einer dualen 100-G-NIC verbunden sind, was die Kosteneffizienz weiter unterstreicht von GigE Vision.
Bei der Arbeit mit mehreren Kameras helfen präzises Timing und Zeitstempel den Bildgebungssystemen, geplante und synchronisierte gleichzeitige Erfassungen auf der Grundlage eines internen zeitbasierten Befehls auszuführen, ohne dass ein externer Auslöser erforderlich ist. Das Kombinieren vieler Bilder und Daten in einem einzigen Stream erfordert Rechen- und Verarbeitungsleistung. GigE-Kameras und Zubehör kombinieren mehrere Kameras in Echtzeit zu einem präzisen Stream. Die Verfügbarkeit erschwinglicher Ethernet-Switches bietet Systemdesignern eine einfache Möglichkeit, IEEE1588 PTP für die Synchronisation mehrerer Kameras auf 1 us zu aktivieren.
Triggeroptionen unterstützen die Integration und helfen bei der Erweiterung von GigE-Kameraanwendungen. Für den seltenen Fall, dass ein Kunde beispielsweise Kameras über die NIC auslösen möchte, verfügt Emergent über eigene Dual-Port-25-Gb-NICs und Single-Port-100-Gb-NICs mit einem Trigger-Port auf der Vorderseite. Darüber hinaus verfügt die zuvor erwähnte FPGA-Karte auch über IO-Port-Funktionalität.
Software erleichtert die GigE-Integration und den Betrieb
Da GigE in der Industrie weit verbreitet ist, müssen viele Softwareoptionen in Betracht gezogen werden. Ein Beispiel ist die kostenlose Viewer-Software eCapture, die alle Kamerafunktionen für Vorschau, Aufnahme und Speicherung steuert. Zu den erweiterten Funktionen gehören Area of Interest (AOI), Integrationssteuerung und Standardvorverarbeitung, einschließlich Helligkeits-, Gamma- und Bildratensteuerung.
Das eSDK-Softwareentwicklungskit ermöglicht es Endbenutzern, Systemintegratoren und OEMs, ihre Kameras von Emergent Vision Technologies bei Bedarf in ihre eigene Software und Ausrüstung zu integrieren.
Emergent bietet auch eCapture Pro an, eine vollständig schlüsselfertige Software für verschiedene Anwendungen wie AOI und volumetrische Erfassung für Kunden mit begrenzten Entwicklungsressourcen oder ohne Erfahrung mit ultraschnellen Bildverarbeitungstechnologien.
Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsschnittstelle der Zukunft
Fortschritte bei der Bildgebungsgeschwindigkeit werden weitgehend durch das Aufkommen neuer Bildsensoren vorangetrieben, die wiederum durch die Anforderungen von Hochgeschwindigkeitsanwendungen vorangetrieben werden. Viele Anwendungen erfordern Bilder mit hoher Auflösung, und ohne die schnellsten Schnittstellen entsprechen die Bildraten möglicherweise nicht den Anforderungen. Schnittstellen wie 10GigE, 25GigE, 50GigE und 100GigE erfüllen die hohen Auflösungs- und Hochgeschwindigkeitsanforderungen von Anwendungen wie Virtual Reality, volumetrische Erfassung, Sportanalyse und automatisierte optische Inspektion.
Weitere Vorteile von GigE Vision sind eine geringe Serverauslastung, eine vereinfachte Systemarchitektur, Multicast-Videotechnologie, wettbewerbsfähige Kosten und Leistung sowie eine kürzere Markteinführungszeit. Diese Vorteile haben es GigE Vision-Lösungen ermöglicht, Imaging-Anwendungen in mehreren Branchen zu erweitern und werden dies auch weiterhin tun.
Eine klare Wahl für Hochgeschwindigkeits-Bildgebung
Betrachtet man die Vorteile von GigE Vision für Hochgeschwindigkeits-Bildgebung, könnte man sich fragen, ob es genügend Vorteile für die Einführung eines neuen Standards wie CXP gab, wenn GigE Vision-Kameras eindeutig die beste Wahl für Hochgeschwindigkeitsschnittstellen für Bildverarbeitungsanwendungen bieten. Zu den Überlegungen gehören:
• Ultrahohe Daten-/Bildraten von 10G, 25G, 50G, 100G und höher
• Dieselbe CPU- und Speicherauslastung mit standardmäßiger integrierter NIC-Funktionalität
• Stabiles Bildaufnahme-Timing
• Die Bilderfassung verlangsamt die Verarbeitung nicht
• Mit kleinen Anpassungen und handelsüblichen Komponenten kann GigE praktisch alles, was CXP kann
• Power over Cable verschwindet mit CoaXPress over Fiber
• CoaXPress verwendet ein Multikoaxialkabel für Hochgeschwindigkeit, könnte ein zusätzliches Kabel für die Ethernet-Stromversorgung verwenden
• CoaXPress over Fiber verwendet die physische Ethernet-Schicht
• CoaXPress over Fiber war eine Erweiterung von CXP, die versuchte, es mit GigE auf den neuesten Stand zu bringen. (Denken Sie an Ultrahochgeschwindigkeit und lange Kabellängen)
• CoaXPress over Fiber hat nur wenige Kameraanbieter, die den Standard empfehlen
• Der Name CoaXPress selbst bezieht sich auf Koaxialkabel – bei denen es sich nicht um Glasfaser handelt – daher ist die Benennung selbst irreführend
• Schnellere Produkteinführungszeit mit GigE, da 10GigE, 25GigE und 100GigE JETZT verfügbar sind
