Libro blanco: Comprensión de los beneficios de 10, 25, 50 y 100GigE Vision
Entre las muchas ventajas de GigE Vision se encuentran velocidades de cuadro y de datos ultra altas, sobrecarga de CPU baja, opciones de longitud de cable, asequibilidad y simplicidad.
Con la demanda de soluciones de alta velocidad que impulsan las aplicaciones de visión artificial, los fabricantes tienen muchas opciones cuando se trata de componentes. Los capturadores de fotogramas son una opción. Sin embargo, al realizar cambios en el nivel del controlador, junto con las tecnologías de tarjetas de red de alta velocidad existentes, es posible lograr velocidades de 100 GigE y más con el mismo rendimiento y costos más bajos que las tecnologías basadas en captura de fotogramas. A continuación se presenta una breve cronología de las cámaras GigE Vision; detalles, ventajas y beneficios de la interfaz; e información sobre el uso de 10GigE hasta 100GigE para mantenerse a la vanguardia de las soluciones de visión artificial en la fabricación y más allá.
Breve información sobre la evolución de las cámaras GigE
En 2010, Emergent Vision Technologies presentó la primera cámara con una interfaz 10GigE. El avance de los sensores de imagen y la demanda de una interfaz de mayor velocidad llevaron al lanzamiento de las primeras cámaras de 25 GigE en 2018. El aumento continuo de las velocidades de los sensores nuevamente impulsó las demandas de visión de alta velocidad, lo que llevó a las cámaras de 100 GigE en 2020 (Figura 1).
En la actualidad, se encuentran disponibles muchas soluciones y accesorios de GigE Vision. En general, las cámaras rigen la resolución y la velocidad de fotogramas, que son factores determinantes en las aplicaciones de imágenes de alta velocidad. Sin embargo, los accesorios y la integración también juegan un papel importante en el marco de adquisición de imágenes. Una empresa de tecnología de visión artificial de renombre proporciona una solución de adquisición completa y brinda asesoramiento sobre una arquitectura bien probada para brindar el rendimiento necesario para las aplicaciones de ultra alta velocidad.
Convencional a GigE optimizado
El modelo de adquisición de marco GigE convencional se presenta en la Figura 2. Cuando 1 GigE no es óptimo, se prefieren las tarjetas de interfaz de red (NIC) basadas en Intel PRO/1000 para la implementación de controladores de mayor rendimiento.
El modelo GigE optimizado que se muestra en la Figura 3 ofrece acceso directo a memoria remota (RDMA) y RDMA sobre Ethernet convergente (RoCE). Este sistema ofrece un bajo uso de la CPU y ningún marco perdido, con baja fluctuación y latencia idéntica a CoaXPress (CXP).
El modelo GigE optimizado para RDMA brinda acceso directo desde la memoria de un host (almacenamiento o computadora) a la memoria de otro host sin involucrar el sistema operativo remoto y la CPU. RoCE es el protocolo estándar que permite la transferencia de datos eficiente de RDMA a través de redes Ethernet, lo que permite la descarga de transporte con la implementación del motor RDMA de hardware. Esta red de diseño optimiza el rendimiento, con menor latencia, menor carga de CPU y mayor ancho de banda.
La ventaja de GigE Vision
Con la estandarización IEEE y el éxito de las soluciones GigE, los fabricantes tienen muchas opciones de hardware, software y accesorios. Por ejemplo, una solución GigE Vision puede usar una tarjeta NIC o FPGA lista para usar para conectarse directamente a una cámara 100GigE, lo que reduce la complejidad del sistema.
Un impulsor en el diseño de sistemas de imágenes es la demanda de una visión artificial más avanzada. Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) han experimentado un mayor uso en aplicaciones que involucran velocidades más altas, imágenes 3D y aprendizaje profundo, por ejemplo. La integración de una GPU puede introducir soluciones de IA para impulsar sistemas de imágenes avanzados. Un avance importante en las tecnologías de procesamiento de IA es BlueField-2 de NVIDIA, que combina una NIC y una GPU en una solución de una sola tarjeta. Tales innovaciones continúan evolucionando y expandiendo las capacidades de las tecnologías de imagen y visión artificial.
Con accesorios listos para usar de terceros, compatibilidad con GPU, transferencia de datos rápida y velocidades de fotogramas cada vez mayores; los beneficios de las cámaras GigE están ampliando su uso fuera de la fábrica. Como se muestra en la Figura 4, dos cámaras de 25 GigE con una NIC dual y una GPU NVIDIA Xavier brindan la arquitectura precisa para la implementación del sistema de drones.
A medida que las soluciones de imágenes salen de fábrica, la capacidad de GigE Vision para reducir la complejidad es cada vez más importante para los OEM. Además, con SFP+ (10G), SFP28 (25G) y QSFP28 (100G) que ofrecen piezas de transceptor básicas de bajo costo, una fibra monomodo puede recorrer hasta 10 km y más. La longitud del cable resulta fundamental en aplicaciones en las que es posible que la cámara deba estar lejos de la PC, como vigilancia, transporte y tecnología deportiva. En resumen, los beneficios de adoptar cámaras GigE incluyen:
• Velocidades de cuadro y de datos ultra altas
• Accesorios y opciones de cableado para cubrir largas distancias
• Sincronización de cámara con PTP (protocolo de tiempo de precisión)
• Multiplexación y multidifusión de cámaras
• Baja sobrecarga de CPU, baja latencia y baja fluctuación
• Fuerte aceptación entre industrias debido a la estandarización IEEE
• Costo y rendimiento competitivos
Ejemplos y comparaciones de la vida real: GigE Vision versus CoaXPress
La solución GigE Vision en la Figura 5 muestra 24 cámaras 10GigE, un conmutador para sincronización PTP, multiplexación de las 24 cámaras en enlaces duales de 100G y una NIC dual de 100G de una sola ranura para colocar los marcos de imagen en la memoria del sistema. El sistema CXP equivalente requiere tres capturadores de fotogramas octales. Las diferencias entre 10GigE y CXP6 en este ejemplo se muestran en la Tabla 1.
Otra implementación del mundo real en la Figura 6 muestra 12 cámaras de 25 GigE, un conmutador y una NIC de 100 G dual. Para que un sistema CXP alcance el mismo nivel de rendimiento que esta configuración, se necesitarían 12 cámaras CXP12 más tres capturadores de fotogramas CXP12 independientes. Quienes deseen implementar una opción CXP de fibra para distancias más largas también deberán agregar seis adaptadores de fibra a la lista de materiales, lo que aumentará aún más el costo total del proyecto.
En otro ejemplo de la Figura 7, se necesitarían 2 cámaras CXP12, cada una con 8 puertos, junto con 4 capturadores de fotogramas CXP-12 para igualar una configuración GigE Vision compuesta por dos cámaras 100GigE conectadas a una NIC dual de 100G, lo que destaca aún más la rentabilidad. de GigE Vision.
Cuando se trabaja con varias cámaras, la sincronización de precisión y las marcas de tiempo ayudan a los sistemas de imágenes a ejecutar adquisiciones simultáneas programadas y sincronizadas basadas en un comando interno basado en el tiempo, sin necesidad de un disparador externo. La combinación de muchas imágenes y datos en un solo flujo requiere potencia informática y de procesamiento. Las cámaras y accesorios GigE combinan varias cámaras en una transmisión precisa en tiempo real. La disponibilidad de conmutadores Ethernet asequibles brinda a los diseñadores de sistemas una forma sencilla de habilitar IEEE1588 PTP para la sincronización de varias cámaras a 1 us.
Tener opciones de activación ayuda a la integración y ayuda a expandir las aplicaciones de cámara GigE. Por ejemplo, en el raro caso de que un cliente quiera activar cámaras desde la NIC, Emergent tiene sus propias NIC de 25 Gb de dos puertos y NIC de 100 Gb de un solo puerto con un puerto de activación en el panel frontal. Además, la tarjeta FPGA mencionada anteriormente también tiene funcionalidad de puerto IO.
El software facilita la integración y el funcionamiento de GigE
Con GigE ampliamente adoptado en la industria, hay muchas opciones de software a considerar. Un ejemplo es el software de visualización gratuito eCapture, que controla todas las funciones de la cámara para previsualizar, capturar y guardar. Las funciones avanzadas incluyen área de interés (AOI), control de integración y preprocesamiento estándar, incluido el control de brillo, gamma y velocidad de fotogramas.
El kit de desarrollo de software eSDK permite a los usuarios finales, los integradores de sistemas y los OEM integrar sus cámaras de Emergent Vision Technologies en su propio software y equipo, si es necesario.
Emergent también ofrece eCapture Pro, que es un software llave en mano completo para diversas aplicaciones, como AOI y captura volumétrica para clientes con recursos de desarrollo limitados o sin experiencia en tecnologías de visión de ultra alta velocidad.
Interfaz de imágenes de alta velocidad del futuro
Los avances en la velocidad de generación de imágenes están impulsados en gran medida por la aparición de nuevos sensores de imagen, que a su vez están impulsados por los requisitos de las aplicaciones de alta velocidad. Muchas aplicaciones requieren imágenes de alta resolución y, sin las interfaces más rápidas, es posible que las velocidades de cuadro no cumplan con los requisitos. Las interfaces como 10GigE, 25GigE, 50GigE y 100GigE satisfacen las necesidades de alta resolución y alta velocidad de aplicaciones como la realidad virtual, la captura volumétrica, el análisis deportivo y la inspección óptica automatizada.
Los beneficios adicionales de GigE Vision incluyen una baja utilización del servidor, arquitectura de sistema simplificada, tecnología de video de multidifusión, costo y rendimiento competitivos, y menor tiempo de comercialización. Estas ventajas han permitido que las soluciones de GigE Vision amplíen las aplicaciones de imágenes en varias industrias y seguirán haciéndolo.
Una opción clara para imágenes de alta velocidad
Al considerar los beneficios de GigE Vision para imágenes de alta velocidad, uno podría preguntarse si hubo suficientes beneficios para lanzar un nuevo estándar como CXP cuando las cámaras GigE Vision claramente ofrecen la mejor opción para la interfaz de alta velocidad para aplicaciones de visión artificial. Las consideraciones incluyen:
• Tasas de datos/cuadros ultra altas capaces de 10G, 25G, 50G, 100G y superiores
• La misma utilización de CPU y memoria utilizando la funcionalidad NIC integrada estándar
• Tiempo de adquisición de imagen estable
• La adquisición de imágenes no ralentiza el procesamiento
• Con pequeños ajustes y componentes listos para usar, GigE puede hacer prácticamente cualquier cosa que CXP pueda
• La alimentación por cable desaparece con CoaXPress por fibra
• CoaXPress usa un cable multicoaxial para alta velocidad, podría usar un cable adicional para alimentación Ethernet
• CoaXPress over Fiber utiliza la capa física de Ethernet
• CoaXPress over Fiber fue una extensión de CXP que intentó actualizarlo con GigE. (Piense en longitudes de cable largas y de ultra alta velocidad)
• CoaXPress over Fiber solo tiene algunos proveedores de cámaras que aconsejan el estándar
• El nombre CoaXPress en sí se refiere al cable coaxial, que no es fibra, por lo que el nombre en sí es engañoso.
• Tiempo de comercialización más rápido con GigE, ya que 10GigE, 25GigE y 100GigE están disponibles AHORA
