GigE-Vision-Kameras Tipps und Tricks beim Einsatz von Gigabit-Ethernet for Machine Vision in der Praxis

GigE Vision (Gigabit-Ethernet for Machine Vision) wurde vor etwa fünf Jahren als neuer Schnittstellen-Standard für die Bildverarbeitung verabschiedet. Ein wesentliches Ziel lautete dabei, den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen stark zu vereinfachen. Trotz vieler Fortschritte gibt es noch immer Stolperfallen auf dem Weg zur GigE-Vision-Anwendung. Dieser Beitrag hilft, Fehler im Umgang mit GigE Vision zu vermeiden.

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Die Bildverarbeitung profitiert in mehrfacher Hinsicht davon, dass GigE Vision auf der Massenmarkt-Technologie Ethernet basiert. Gleichzeitig birgt diese Tatsache jedoch auch die Schwierigkeit, dass Anwender von Bildverarbeitungssystemen oft noch über wenig oder gar keine Erfahrung im Umgang mit den Möglichkeiten dieser Technik verfügen. Die vorliegenden Tipps und Tricks sollen als Antworten auf einige grundlegende Thesen dabei helfen, GigE Vision optimal zu nutzen.

These 1: Die Frage der Bandbreite ist eine zentrale Frage beim Design von GigE-Kamera-Systemen.

Die Bandbreite ist eine wichtige Frage bei der Auslegung von GigE-Kamera-Systemen, da häufig mehr als eine GigE-Kamera in einem System eingesetzt wird und sich so mehrere Datenströme die verfügbare Bandbreite teilen müssen. Ausschlaggebend ist hierbei in erster Näherung nicht die durchschnittliche Datenrate der Kameras, die sich aus der Summe der Datenraten der einzelnen Kameras ergibt, sondern die Peak-Datenrate, die sich aus den Peak-Datenraten der einzelnen Kameras errechnet.

Ein Beispiel: Angenommen, in einem System sind zwei Kameras mit je 1k x 1k Auflösung mit 8 Bit im Einsatz, die bei voller Geschwindigkeit 50 Bilder pro Sekunde liefern. Die Kameras sind aber so eingestellt, dass sie freilaufend nur auf 10 Bilder pro Sekunde kommen. Daraus ergibt sich eine durchschnittliche Datenrate von 10 MByte/s, was sicher funktioniert. Wenn die Kameras jedoch ihre einzelnen Bilder schicken, so kommt jedes dieser Bilder mit einer Datenrate von 50 MByte/s je Kamera am PC an. Die Peak-Datenrate liegt somit bei 100 MByte/s. Obwohl die Gesamt-Performance relativ niedrig ist, liegt dies bereits an der Grenze dessen, was über eine Schnittstelle zu realisieren ist. Diese Schwierigkeit tritt insbesondere dann auf, wenn mehrere Kameras zeitgleich getriggert werden.

Abhilfe können hier zwei Mechanismen schaffen. Zum einen gibt es Kameras, die in der Lage sind, Bilder nach einem Trigger in der Kamera zwischenzuspeichern und erst auf einen zweiten Trigger hin an den PC zu liefern. So können Bilder mehrerer Kameras zeitversetzt per Software abgerufen werden, selbst wenn die Kameras zeitgleich getriggert wurden. Zum anderen ist ein so genannter PacketDelay in GigE Vision implementiert, der es ermöglicht, zwischen zwei Paketen eine konfigurierbare Verzögerung einzufügen, sodass die Peak-Datenrate der Kamera heruntergesetzt wird.

These 2: Was muss man beim Anschluss eines externen digitalen Signals, z.B. für den Trigger beachten?

Bei Systemen auf Basis eines Frame-Grabbers ist es meist Aufgabe der Bilderfassungskarte, externe Trigger-Signale entgegenzunehmen und dann an die Kamera weiterzureichen. Frame-Grabber haben diverse Möglichkeiten, digitale Signale z.B. als TTL-, LVDS- oder 24V-Signal von einer speicherprogrammierbaren Steuerung anzunehmen. Bei GigE muss diese Funktionalität in der Kamera realisiert werden. Es ist daher ein entscheidendes Merkmal, ob und wie viele digitale Ein- und Ausgänge eine Kamera hat.

Fast noch wichtiger: Bei Systemen mit mehr als einer Kamera muss der Trigger dezentral an alle Kameras geliefert werden und nicht mehr nur zentral an den Frame-Grabber. Hierbei stellt vor allem der zusätzliche Aufwand für die Verkabelung oft ein Problem dar. So können z.B. bei der Anbindung von Kameras über Lichtwellenleiter mehrere hundert Meter Glasfaser zwischen zwei Kameras liegen. Wenn diese beiden Kameras jedoch gleichzeitig getriggert werden sollen, so muss zusätzlich zu der Faser für die Datenübertragung noch eine zweite Faser zur Übertragung des Trigger-Signals verlegt werden, was zusätzlichen Aufwand und Kosten bedeutet.

Alternativ kommt hier nur der so genannte Software-Trigger in Frage. Dabei wird die Bildaufnahme vom Host initiiert über Ethernet in der Kamera gestartet. Da Verzögerungen durch die Ethernet-Infrastruktur nicht auszuschließen sind und damit das zeitliche Verhalten nicht genau definiert ist, ist dieses Verfahren nur bedingt einsetzbar, wenn der Triggerzeitpunkt sehr genau sein muss.

These 3: Die Wärmeentwicklung der Kamera hat entscheidenden Einfluss auf die Bildqualität.

Ein maßgeblicher Unterschied zwischen z.B. GigE- und CameraLink-Kameras ist die Tatsache, dass GigE-Kameras eine so genannte PHY-Baugruppe benötigen, welche die physikalische Ethernet-Anbindung realisiert. Neben anderen Gründen hat dies zur Folge, dass GigE-Kameras oft wärmer werden als vergleichbare Produkte mit CameraLink-Schnittstelle. Die Wärmeentwicklung einer Kamera hat aber entscheidenden Einfluss auf die Bildqualität. Bei Applikationen, in denen die Bildqualität ein kritischer Faktor ist, sollte man daher darauf achten, dass die Kamera gut gekühlt wird oder zumindest über die Befestigung Wärmeenergie abführen kann.

These 4: Netzwerkschnittstelle ist nicht gleich Netzwerkschnittstelle.

Bei der Wahl der Netwerkkarte spielt eine Reihe von Faktoren ein Rolle. So ist es wichtig, welche Netzwerkkarte verwendet wird, über welches Bussystem die Netzwerkkarte im PC angebunden ist und welches Treiberkonzept zum Einsatz kommt. Es ist z.B. nur bedingt möglich, die volle GigE-Bandbreite von rund 100 MByte/s über eine Netzwerkkarte mit PCI32-Schnittstelle zu realisieren, da zum eigentlichen Datenstrom immer noch ein gewisser Overhead beim Handling der einzelnen Pakete hinzukommt.

Bei einem Nettodatenstrom von 100 MByte/s liegt der Bruttodatenstrom also deutlich höher. Darüber hinaus gibt es Netzwerkkarten mit mehr oder weniger großem Pufferspeicher, und es gibt Treiberkonzepte von Netzwerkkartenherstellern, die eine Lastverteilung auf Multicore-CPUs erlauben, während andere dies nicht zulassen. Auch bei der Wahl der GigE-Vision-Software auf dem PC gibt unterschiedliche Treiberkonzepte, die eine Balance zwischen Performance und Flexibilität darstellen.

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