Auswahl der geeigneten Kameraschnittstelle für Ihr Bildverarbeitungssystem

Die Aufgabe eines Bildverarbeitungssystems ist in der Regel immer die gleiche: die Übertragung von Bilddaten von einem physikalischen Sensor an eine Verarbeitungseinheit, die das Bild analysiert, Entscheidungen trifft und Resultate kommuniziert. Ein Bildverarbeitungssystem setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Dazu zählen Kamera, Objektiv, Beleuchtung, Bilddatenerfassungskarte, das System mit Prozessor und Software für die Bildverarbeitung und Schnittstellen, um das Bildverarbeitungssystem in den kompletten Prozess zu integrieren, wie zum Beispiel digitale Ein- und Ausgänge.

Im vorliegenden Whitepaper werden die Stärken und Schwächen von fünf gängigen Schnittstellen für Kameras vorgestellt: Analog, Camera Link, USB, IEEE 1394 und GigE Vision. Zusätzlich werden die Eigenschaften beschrieben, die eventuell bei der Auswahl der für eine Anwendung geeigneten Kamera erforderlich sind.

In diesem Whitepaper werden diese fünf Kameraschnittstellen auf einer Vergleichsskala in acht Kategorien verglichen:

1. Durchsatz: die Geschwindigkeit, mit der Daten über den Bus übertragen werden können
2. Effektive Kosten: der Gesamtpreis für die Komponenten eines Systems, einschließlich Kamera, Kabel und Bilddatenerfassungskarte
3. Kabellänge: die maximal mögliche Entfernung zwischen der Kamera und dem PC ohne Leistungsverstärker
4. Standardisierte Schnittstelle: Ein Maßstab für einfache Benutzung und zukünftig mögliche Erweiterbarkeit. Plug-and-play-Schnittstellen erleichtern die Installation und mögliche Systemerweiterungen.
5. Stromversorgung über das Kabel: die Möglichkeit, über ein einziges Kabel die Kamera zu versorgen und Bilddaten zu übertragen
6. Kameraverfügbarkeit: ein Maßstab für die Anzahl am Mark verfügbarer Kameras, die Dauer der bisherigen Verfügbarkeit der Schnittstelle und die allgemeine Verbreitung des Standards in der industriellen Bildverarbeitung
7. Prozessorauslastung: die Belastung des Systemprozessors bei der Bilderfassung
8. I/O-Synchronisation: die Einfachheit, mit der eine mögliche Triggerung und die gesamte Kommunikation realisiert werden kann

In diesem Whitepaper wird jede Kameraschnittstelle in jeder der oben aufgeführten Kategorien mit einer relativen Punktzahl zwischen eins und fünf bewertet. Fünf ist dabei die höchst mögliche Punktzahl und eins die niedrigste. Da es keinen speziellen Bus für jede Anwendung gibt, werden die relativen Punktzahlen in einem Spinnendiagramm dargestellt. Mithilfe dieser Diagramme können die Kameraschnittstellen entsprechend der für den Anwender wichtigsten Kategorie bewertet werden.

Analoge Kameras

Analoge Kameras nutzen Koaxialkabel, um ein analoges Videosignal von der Kamera an eine Bilderfassungskarte oder einen Monitor zu übertragen. Das von der Kamera übertragene analoge Videosignal nutzt dieselben gemischten Videoformate, die von Fernsehstationen zur weltweiten Übertragung von Videosignalen eingesetzt werden. Die zwei häufigsten Videostandards für Farbvideosignale sind National Television Systems Committee (NTSC) und Phase Alternative Line (PAL). NTSC ist in Amerika und Japan stark verbreitet, PAL eher in Europa. Für monochrome Videosignale sind Electronic Industries Association (EIA) RS170 und Consultative Committee for International Radio (CCIR) die zwei vorherrschenden Videostandards. RS170 ist in Amerika verbreitet und CCIR in Europa.

Durchsatz: Analoge Kameras eignen sich für Bildverarbeitungsanwendungen mit niedriger bis mittlerer Bandbreite. Pixeltaktraten liegen gewöhnlich unter 40 MHz, und die meisten analogen Kameras übertragen nur ein Pixel pro Taktzyklus. Es gibt zwar Ausnahmen, doch die allermeisten analogen Kameras entsprechen einem der vier bereits genannten Videostandards. Der größte Durchsatz existiert beim PAL-Standard. Hierbei werden die Daten mit knapp 11 MB/s übertragen. Diese Geschwindigkeit ist zwar für die meisten Bildverarbeitungsanwendungen vollkommen ausreichend, doch ist sie die niedrigste unter den fünf wichtigsten Schnittstellen. Punktzahl: 1

Standard	Typ	Bildgröße (Pixel)	Bildgeschwindig-keit (Bilder/s)	Zeilenrate (Zeilen/s)
NTSC	Farbe	640 x 480	29,97	15.734
PAL	Farbe	768 x 576	25,00	15.625
RS170	Schwarz/weiß	640 x 480	30,00	15.750
CCIR	Schwarz/weiß	768 x 576	25,00	15.625

Kosteneffizienz: Da es analoge Kameras schon seit 50 Jahren gibt und sie in der Vergangenheit zahlreich eingesetzt wurden, sind sie nicht teuer. Diese niedrigen Kosten werden jedoch häufig vom Bedarf für eine Bilderfassungskarte, auch als Framegrabber bekannt, aufgehoben. Diese ist nötig, um das analoge Signal zu digitalisieren und es an das System zu übertragen. Obwohl die Kosten für analoge Framegrabber im Laufe der Jahre ebenfalls gesunken sind, liegen die Kosten für das Gesamtsystem immer noch höher als bei anderen Kameratechnologien. Punktzahl: 3

Kabellänge: Die Verkabelung analoger Kameras reicht von einfach bis komplex. Im einfachsten Fall reicht eine Verbindung durch ein Koaxialkabel zwischen Kamera und Framegrabber. Dies ist ausreichend, wenn Standardanalogkameras eingesetzt werden. Bei analogen Kameras, die keinem Standard folgen, müssen zusätzlich sämtliche Synchronisationssignale der Kamera an den Framegrabber übertragen werden. Die empfohlene maximale Kabellänge für analoge Videosignale ist jeweils sehr unterschiedlich. Manchmal wird eine Länge von 10 m oder weniger vorgeschlagen, um die beste Videoqualität zu erzielen. Andere Meinungen gehen dahin, dass auch Distanzen von 100 m oder mehr, insbesondere bei Sicherheits- oder Funkvideos, überbrückt werden können und der Verlust an Bildqualität minimal ist. Punktzahl: 4

Standardisierte Schnittstelle: Obwohl es bereits seit Jahrzehnten analoge Standards gibt, ist die Verwendung von nicht standardkonformen analogen Kameras kompliziert, da neben den Bilddaten auch die Synchronisationssignale übertragen werden müssen. Im Vergleich zu anderen Kameraschnittstellen, die automatische Kameraerkennung, digitale Bildqualität und softwareseitige Konfiguration der Kamera bieten, lassen analoge Kameras noch einiges zu wünschen übrig. Punktzahl: 3

Stromversorgung über das Kabel: Analoge Kameras können nicht über das Datenkabel versorgt werden. Aus diesem Grund benötigt jede analoge Kamera eine externe Stromversorgung von üblicherweise 12 V. Punktzahl: 1

Kameraverfügbarkeit: Dies ist die gewichtigste Kategorie für analoge Kameras und der Grund, aus dem sie weiterhin erfolgreich für den Einsatz in industriellen Bildverarbeitungssystemen verkauft werden. Da sich die Technologie bereits gut etabliert hat, lassen sich analoge Kameras sehr leicht auswählen und einsetzen. Punktzahl: 5

Prozessorauslastung: Die Bilder werden vom Sensor über den Framegrabber in den Rechner übertragen. Framegrabber verwenden für die Übertragung der Daten DMA-Kanäle, die den Prozessor des Rechners entlasten. Deswegen benötigt die analoge Bilderfassung nur sehr wenig von der Prozessorleistung des Systems. Punktzahl: 5

I/O-Synchronisation: Einige analoge Kameras für die industrielle Bildverarbeitung verfügen über Funktionen wie asynchroner Reset und zusätzliche digitale Ein- und Ausgänge. Darüber hinaus stellt der benötigte Framegrabber noch weitere I/O-Kanäle zu Verfügung, die zur Kommunikation mit anderen Komponenten verwendet werden können. Leider gibt es für analoge Kameras keinen Standard, um Kameraattribute wie Belichtungszeit, Verstärkung oder Verschlusszeit per Software zu parametrieren. Diese Funktionen müssen teilweise noch mit DIP-Schaltern eingestellt werden. Punktzahl: 3

Camera Link

Die Kosten von spezifischen Kabeln sowie die große Bandbreite an digitalen Übertragungsformaten bildeten die treibende Kraft hinter der Entwicklung des Standards der Automated Imaging Association (AIA) für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von digitalen Videosignalen. Der AIA-Standard ist als Camera Link bekannt und definiert Kabel, Anschluss und Signalübertragung zwischen der Kamera und dem Framegrabber. Jede Kamera, die die Camera-Link-Spezifikation erfüllt, sollte mit jedem Framegrabber eingesetzt werden können, der ebenfalls dieser Spezifikation entspricht.

Durchsatz: Camera Link, ein serieller digitaler Hochgeschwindigkeitsbus speziell für Kameras in der industriellen Bildverarbeitung, bietet den höchsten Datendurchsatz. Camera Link liefert eine Übertragungsstruktur in drei Varianten (Base, Medium und Full), um in zahlreichen Applikationen Verwendung zu finden. Kameras mit der Base-Konfiguration erfassen bei bis zu 255 MB/s (3 Bytes × 85 MHz). Die meisten Kameras verwenden jedoch etwa 100 MB/s oder weniger (1 oder 2 Bytes × 50 MHz oder weniger). Eine typische Kamera mit Base-Konfiguration kann Bilder mit 1 Megapixel bei 50 Einzelbildern pro Sekunde oder mehr erfassen. Kameras mit Medium- oder Full-Konfiguration erfassen Bilder mit bis zu 510 bzw. 680 MByte/s. Eine typische Kamera mit Full-Konfiguration kann somit z. B. 500 Bilder mit einer Auflösung von 1280 × 1024 pro Sekunde und ans System übertragen. Punktzahl: 5

Kosteneffizienz: Da Camera Link für die Bilddatenerfassung mit mittlerer bis hoher Leistung entwickelt wurde, sind so ausgestattete Kameras im Allgemeinen teurer als Kameras niedriger Leistung. Für Camera Link wird ein Framegrabber benötigt, der die oben genannten hohen Datenraten verarbeiten kann. Diese Framegrabber sind häufig teurer als analoge Framegrabber. Punktzahl: 1

Kabellänge: Der Camera-Link-Standard ersetzt teure, benutzerspezifische Kabel durch ein einziges kostengünstiges Standardkabel mit weniger Drähten. Spezielle Bauteile an der Kamera werden eingesetzt, um 28 parallele TTL-Signale in vier differenziellen Hochgeschwindigkeitssignalpaaren zu serialisieren, die über das Kabel übertragen werden. Ein ähnliches Bauteil wird im Framegrabber verwendet, um den Datenstrom in serieller Form wieder in parallele TTL-Signale umzuwandeln. So reduzieren sich Kabellänge und Kosten und Rauschunempfindlichkeit sowie maximale Kabellänge werden erhöht.

In der Camera-Link-Spezifikation wird die Kabellänge auf maximal 10 m definiert. Camera Link verwendet ein standardisiertes Kabel, das relativ kostengünstig ist und mit jeder Kamera und jedem Datenerfassungsgerät arbeitet, die mit Camera Link kompatibel sind. Kameras mit Base-Konfiguration benötigen nur ein Kabel. Kameras mit Medium- und Full-Konfiguration erfordern zwei Kabel. Punktzahl: 3

Standardisierte Schnittstelle: Die Camera-Link-Spezifikation definiert einen Standard für Kabel, Anschluss, Signalformat und serielle Kommunikationsschnittstelle zur Konfiguration und Parametrierung von Kameras. Im Gegensatz zu IEEE 1394 und GigE Vision ist die Kommunikation zwischen Kamera und Rechner jedoch nicht durch den Standard festgelegt. Das bedeutet, dass jede Camera-Link-Kamera eine spezielle Konfigurationsdatei erfordert, um der Software mitzuteilen, wie Bilder von der Kamera zu erfassen sind, über welche Kommandos mit der Kamera kommuniziert werden kann und welche Funktionen geändert werden können. Unter ni.com/cameras können Sie Kameras vergleichen und Kameradateien herunterladen. Punktzahl: 3

Stromversorgung über das Kabel: Camera Link bietet die Stromversorgung nicht über das Datenkabel an. Der Standardisierungsausschuss arbeitet daran, diese Funktion zu ergänzen.  Punktzahl: 1

Kameraverfügbarkeit: Fast jeder großer Anbieter von Kameras für die industrielle Bildverarbeitung bietet Camera-Link-Kameras an und die meisten Kameras mit hoher Auflösung, hoher Geschwindigkeit und zeilenweiser Auslesung basieren auf Camera Link. Camera Link ist zwar nicht so produktiv wie analoge Kameras, ist aber der bevorzugte Standard bei der leistungsstarken Bildverarbeitung. Punktzahl: 4

Prozessorauslastung: Camera-Link-Kameras benötigen Framegrabber, die die Bilddaten an das System übertragen. Dazu nutzen sie DMA-Kanäle, die den Prozessor des Rechners entlasten. Daher erfordert die Bilddatenerfassung mit Camera Link nur sehr wenig Prozessorleistung des Systems. Punktzahl: 5

I/O-Synchronisation: Obwohl serielle Signale an der Pinbelegung des Kabels definiert werden, werden die speziellen seriellen Befehle beispielsweise zur Einstellung von Belichtung, Verstärkung und Offset nicht von der Spezifikation festgelegt. Die Treibersoftware für den Framegrabber muss so konfiguriert werden, dass sie die kameraspezifischen Kommandos kennt. Das Camera-Link-Kabel bietet Steuersignale für die Triggerung und den Takt. Viele Hersteller liefern separate Anschlüsse, um erweiterte Triggerfunktionen anzubieten. Der begrenzte Rahmen der Camera-Link-Spezifikation bietet keine Plug-and-play-Kompatibilität, ermöglicht Herstellern von Kameras und Framegrabbern jedoch ein Differenzieren ihrer Produkte durch Zusatzfunktionen oder eine Erweiterung der Funktionalität. Insgesamt gesehen bietet Camera Link die größte I/O-Flexibilität und -Anbindung. Da Zeilenkameras oft höhere Synchronisationsanforderungen stellen, verwenden sie meist Camera Link. Punktzahl: 5

USB

USB wurde eigentlich für den Verbrauchermarkt entwickelt, doch hat dieser Bus auch im Industriemarkt eine Nische gefunden. USB 1.1 bot eine Übertragungsrate, die gerade einmal für eine einfache Webkamera ausreichte. USB 2.0 hingegen bietet eine ausreichende Bandbreite für die kontinuierliche Übertragung von Videodaten. USB 2.0 wird gewöhnlich bei Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung eingesetzt, wenn relativ geringe Leistungsanforderungen zu erfüllen sind und kostengünstige Kameras benötigt werden.

Durchsatz: USB 1.1 bietet einen Datendurchsatz von 1,1 MB/s. Durch die Einführung und Verbreitung der Version 2.0, die Bandbreiten bis zu 60 MB/s bietet, wurde USB zu einer brauchbaren Busoption für die Bildverarbeitung Mit 60 MB/s liegt USB mit IEEE 1394a fast gleich auf. Punktzahl: 2

Kosteneffizienz: USB-Kameras sind im Allgemeinen kostengünstig, besonders dann, wenn keine Funktionen für den industriellen Einsatz, wie Triggerung oder erweiterte Temperaturbereiche, benötigt werden. Zudem lassen sie sich direkt an einen standardmäßigen USB-Anschluss anschließen, ein Framegrabber ist nicht erforderlich. Daher ist USB das günstigste Bussystem für Kameras und wird häufig in Hochschul- und Ausbildungslaboren sowie in anderen Bereichen eingesetzt, in denen minimale Kosten entscheidend sind. Punktzahl: 5

Kabellänge: Kabellängen für USB liegen ähnlich wie bei IEEE 1394 gewöhnlich unter 5 m (ohne Repeater). Mit einem Repeater oder Hub können Distanzen bis zu 30 m überbrückt werden. Punktzahl: 1

Standardisierte Schnittstelle: Obwohl an jedem PC heutzutage mehrere USB-Anschlüsse vorhanden sind, ist USB immer noch der am wenigsten standardisierte und gängigste Bus für Kameras, der in diesem Whitepaper behandelt wird. Ein Hindernis bei der allgemeinen Verbreitung von USB für Bildverarbeitungsanwendungen ist eine fehlende Hardwarespezifikation für Geräte zur Bilderfassung. Jeder Anbieter muss sein eigenes Hard- und Softwaredesign implementieren, was bedeutet, dass ein spezieller Treiber geschrieben werden muss, damit jede USB-Kamera mit dem Softwarepaket verbunden werden kann. Folglich ist IEEE 1394 bei Bildverarbeitungsanwendungen viel häufiger vertreten. Punktzahl: 2

Stromversorgung über das Kabel: USB liefert Strom über dasselbe Kabel, wodurch die Notwendigkeit für ein separates Stromkabel entfällt. Punktzahl: 5

Kameraverfügbarkeit: USB-Webcams sind relativ häufig, doch benötigen Bildverarbeitungsanwendungen mehr Leistung, als von Webcams für den Verbrauchermarkt zur Verfügung gestellt wird. Es gibt allerdings ein paar Firmen, die USB-Kameras für die Bilddatenerfassung und -verarbeitung anbieten, um diese Lücke zu füllen. Punktzahl: 1

Prozessorauslastung: Die meisten Treiber für USB-Kameras nutzen Hilfsprogramme wie DirectShow, um Bilder auf dem PC zu erfassen. Diese Hilfsmittel arbeiten zwar gut, belasten aber den Prozessor. Folglich können USB-Bildverarbeitungsanwendungen sehr prozessorintensiv sein. Punktzahl: 1

I/O-Synchronisation: Hilfsprogramme wie DirectShow bieten keinerlei Schnittstelle für die Triggerung und Kommunikation. Daher ist es ohne einen speziellen Treiber ziemlich schwierig, USB-Kameras mit dem übrigen System zu synchronisieren. Punktzahl: 1

IEEE 1394

Die ursprüngliche IEEE-1394-Spezifikation wurde im Dezember 1995 verabschiedet. Im Gegensatz zu USB war IEEE 1394 nie für einfache Computerperipheriegeräte vorgesehen, sondern direkt für die Bildverarbeitungskomponenten entwickelt. Die anfängliche Geschwindigkeit von IEEE 1394a lag bei 100 Mb/s (1,5 Mb/s bei USB 1.1). Diese größere Bandbreite eignet sich besser für Geräte wie Kameras und Festplatten. Aufgrund der ursprünglichen Bandbreitenvorteile von IEEE 1394 ist dieser Standard jetzt bei Bildverarbeitungssystemen weit verbreitet, obgleich USB 2.0 hinsichtlich der Durchsatzrate aufgeholt hat.

Durchsatz: IEEE-1394a-Kameras bieten einen ähnlichen oder geringfügig höheren Durchsatz als analoge Kameras, verfügen aber über eine viel größere Flexibilität bei der Wahl zwischen Auflösung und Bildrate pro Sekunde. Die IIDC-Spezifikation für IEEE-1394-Kamera definiert mehrere Standardbildfrequenzen von 1875 bis 240 Bildern pro Sekunde sowie Standardauflösungen von 160 × 120 bis 1600 × 1200. Die Spezifikation stellt zudem ein skalierbares Bildformat bereit (bekannt als Format 7), das beinahe jede frei wählbare Auflösung und Bildfrequenz ermöglicht. Bilder im Format 7 werden nur durch die verfügbare Bandbreite auf dem IEEE-1394-Bus und die Implementierungsentscheidungen des Kameraherstellers beschränkt. Für viele Kameras wird die Bildfrequenz umgekehrt zur Bildauflösung entlang einer in etwa konstanten Kurve skaliert. Die Spezifikation IEEE 1394a bietet eine maximale Datenrate von 400 Mb/s, die für eine 640 × 480 Erfassung monochromer Bilder mit 8 bit und 100 Bildern pro Sekunde ausreichend ist. Die Spezifikation IEEE 1394b verdoppelt die verfügbare Bandbreite auf 800 Mb/s und die maximale Bildrate bei 640 × 480 auf 200 Bilder pro Sekunde. Punktzahl: 3

Kosteneffizienz: IEEE-1394-Kameras, die digitale Bildqualität, erweiterte Funktionen und Bedienfreundlichkeit bieten, sind nur geringfügig teuerer als analoge Kameras. Überdies erfordern sie keine speziellen Framegrabber zur Erfassung von Bildern. Da außerdem die Kabel kostengünstig sind, ist IEEE 1394 ein sehr kosteneffizientes Bussystem für Kameras für die industrielle Bildverarbeitung. Punktzahl: 4

Kabellänge: IEEE-1394-cameras verwenden kostengünstige Standardkabel, die fast überall erhältlich sind. Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für IEEE 1394a sind auf unter 5 m beschränkt, wobei größere Entfernung durch Einsatz von Hubs oder Repeater möglich sind. IEEE-1394b-Kameras unterstützen längere, einfache Kabeltrassen bis 100 m über Glasfaserkabel oder Kabel der Kategorie 5 (CAT 5). Auch außerhalb der Spezifikation stehen Lösungen zur Verfügung, mit deren Hilfe IEEE 1394a mithilfe von Glasfaserkabel über viel längere Entfernungen genutzt werden kann. Punktzahl: 1

Standardisierte Schnittstelle: Vor einigen Jahren gründete die 1394 Trade Association eine Arbeitsgruppe, um eine Spezifikation für Industriekameras festzulegen. Daraus ergab sich die 1394 Trade Association Industrial and Instrumentation specification for Digital Cameras (IIDC). Diese Spezifikation definiert ein herstellerunabhängiges Hardwareregisterabbild, das eine einfache Abfrage und Steuerung der Kamera ermöglicht. Es werden etliche Video- und externe Triggermodi unterstützt. Die herstellerunabhängige Natur der Spezifikation fördert Interoperabilität zwischen unterschiedlicher Hard- und Software. Dieser Hardware-, Software- und Kabelstandard sorgt dafür, dass IEEE 1394 das bedien- und wartungsfreundlichste Bussystem für Kameras ist. Punktzahl: 5

Stromversorgung über das Kabel: IEEE 1394 wird über das Kabel mit Strom versorgt. Die meisten Kameras werden über den IEEE-1394-Bus mit Strom versorgt, so dass keine externe Stromquelle erforderlich ist. Geräte mit hoher Leistung benötigen jedoch eine externe Stromversorgung. Punktzahl: 5

Kameraverfügbarkeit: IEEE 1394 ist seit mehreren Jahren Industriestandard und im Laufe dieser Zeit wurden Hunderte unterschiedlicher IEEE-1394-Kameras auf den Markt gebracht. Heute sind Infrarot-, Zeilen-, Megapixel- und Hochgeschwindigkeitskameras erhältlich. Jedoch lassen sich aufgrund von Beschränkungen bei Bandbreite und I/O-Synchronisation Camera-Link-Kameras finden, die eine bessere Leistung und mehr Flexibilität bieten, besonders für die Zeilenabtastung. Punktzahl: 4

Prozessorauslastung: IEEE 1394 erfordert keinen Framegrabber, die Bilder werden über den Prozessor in den Systemspeicher übertragen. Die Prozessorgeschwindigkeiten sind je nach Softwareanbieter verschieden, aber im Allgemeinen ist die Gesamtauslastung höher als bei Framegrabbern. Punktzahl: 3

I/O-Synchronisation: Wie auch bei USB und GigE Vision stellt die I/O-Synchronisation ohne einen Framegrabber zur Vermittlung von Kommunikationssignalen und Trigger schon an sich eine größere Herausforderung dar. Viele IEEE-1394-Kameras bieten direkte Triggereingangs- und -ausgangskanäle. Es gibt zudem ein paar IEEE-1394-Steckkarten von National Instruments, die neben dem IEEE-1394-Bus noch 29 digitale Ein- und Ausgänge besitzen. Das macht die Integration des Bildverarbeitungssystems in den kompletten Prozess sehr einfach. Punktzahl: 2

GigE Vision

Gigabit Ethernet Vision ist ein neuer Kamerabus für die Bilderfassung. Gigabit Ethernet ist mit einer relativ hohe Bandbreite, großen Kabellängen und weiter Verbreitung bei Verbraucher- und industriellen Anwendungen recht viel versprechend für Sicherheits- und Bildverarbeitungsanwendungen.

Im Gegensatz zu USB und IEEE 1394 war Ethernet ursprünglich nicht dazu gedacht, den Anschluss von Peripheriegeräten zu ermöglichen. Ethernet bietet keine Benachrichtigung hinsichtlich Plug-and-play. Die Geräteerkennung erfordert zusätzliche Protokolle oder das Eingreifen des Anwenders. Diese Defizite wurden im neuen Standard GigE Vision von der Automated Imaging Association (siehe unten) in Angriff genommen.

Durchsatz: Die theoretische maximale Übertragungsrate von Gigabit Ethernet liegt bei 125 MB/s. Unter Berücksichtigung der Hardwarebeschränkungen und des Software-Overheads beträgt die maximale Übertragungsrate in der Praxis eher ca. 100 MB/s. Diese Übertragungsrate ist dieselbe wie bei IEEE 1394b und wird nur von Camera Link mehrfach übertroffen. Punktzahl: 3

Kosteneffizienz: Die Gesamtkosten des Systems GigE Vision sind ähnlich wie für IEEE 1394. Die Kameras können etwas teurer sein, dagegen ist die Verkabelung günstiger. Ein Framegrabber ist nicht erforderlich. Punktzahl: 4

Kabellänge: GigE Vision trumpft bei der Kabellänge auf. Bei GigE Vision werden Kabellängen von 100 m erreicht und somit ist dies das erste Bussystem für Kameras, das hinsichtlich Kabellänge in Konkurrenz zu analogen Kameras tritt. Diese Eigenschaft hat dazu beigetragen, dass GigE Vision analoge Kameras bei Sicherheits- und Überwachungsanwendungen ersetzt. Punktzahl: 5

Standardisierte Schnittstelle: Vor ein paar Monaten definierte die Automated Imaging Association gemeinsam mit etlichen Mitgliedsfirmen einen umfassenden Standard für Industriekameras, der auf Gigabit Ethernet aufbaut und sich GigE Vision nennt. Der Standard GigE Vision überwindet einige der Defizite von Gigabit Ethernet, indem er Plug-and-play-Verhalten, Geräteerkennung, Fehlerbehebung und sichere Bilddatenübertragung bereitstellt. Der Standard GigE Vision bietet einen Standardisierungsgrad, der hinsichtlich Bedienfreundlichkeit und Hardwareskalierbarkeit dem von IEEE 1394 entspricht. Punktzahl: 5

Stromversorgung über das Kabel: Ein großer Nachteil bei GigE Vision besteht darin, dass die Kamera nicht über das Ethernet-Kabel mit Strom versorgt werden kann. Daher benötigt jede GigE-Vision-Kamera ihre eigene separate Stromversorgung. Punktzahl: 1

Kameraverfügbarkeit: Der Standard GigE Vision, der im April 2006 verabschiedet wurde, gewinnt immer größere Akzeptanz in der Industrie. Es kann jedoch noch einige Jahre dauern, bevor die Produktpalette und Verfügbarkeit von Kameras die von IEEE 1394 erreicht. Punktzahl: 2

Prozessorauslastung: Unterschiedliche softwareseitige Implementierungen führen zu sehr unterschiedlicher Prozessorbeanspruchung. Im Allgemeinen sind zwei Treibertypen für das Erfassen von Bildern von GigE-Vision-Kameras erforderlich: gefilterte und optimierte. Filtertreiber trennen eingehende Bilddatenpakete vom anderen Datenverkehr im Netzwerk auf einer hohen Ebene. Sie sind leichter zu erstellen und einzusetzen, beanspruchen aber den Systemprozessor stark. Optimierte Treiber, die speziell für eine bestimmte Netzwerkkarte geschrieben wurden, arbeiten auf einer viel niedrigeren Ebene. Beispielsweise können durch Schreiben eines optimierten Treibers für eine Netzwerkkarte von Intel Pakete, die Bilddaten enthalten, auf der Netzwerkkarte statt auf dem Prozessor geteilt werden. Diese optimierten Treiber benötigen nur wenig Prozessorleistung und sind für prozessorintensive Bildverarbeitungsanwendungen wichtig. Punktzahl: 2

I/O-Synchronisation: Da Anwendungen mit GigE Vision oft die langen Entfernungen zwischen dem PC und der Kamera nutzen, stellen Triggerung und Kommunikation eine etwas größere Herausforderung dar als bei IEEE 1394. Häufig ist es bei IEEE 1394 der Fall, dass ein Näherungssensor mit dem PC verbunden ist, der dann die Kamera mithilfe eines bekannten Impulses auslöst. Mit Entfernungen bei Ethernet von bis zu 100 m ist es jedoch schwieriger, den PC zur Konditionierung eines Triggersignals zwischen einem Näherungssensor und der GigE-Vision-Kamera einzusetzen. Punktzahl: 2

Fazit

Im Allgemeinen eignen sich für Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Übertragungsrate häufig mehrere Bussystemen für Kameras. Analoge und IEEE-1394a-Kameras eignen sich für Anwendungen, die Übertragungsraten bis zu ca. 40 MB/s erfordern. GigE-Vision- und IEEE-1394b-Kameras füllen derzeit die Lücke zwischen 40 MB/s und ca. 100 MB/s aus. Für Anwendungen über 100 MB/s bildet sich Camera Link mit Medium- und Full-Konfiguration mehr und mehr als beherrschendes - und manchmal auch einzige - Schnittstelle heraus.

In diesem Whitepaper sollte nicht dargestellt werden, dass eine Kameraschnittstelle besser ist als eine andere. Im Gegenteil, es sollte gezeigt werden, dass derzeit viele geeignete Technologien für Kameras zur Verfügung stehen und der Anwender darüber entscheiden kann, welche sich am besten für seine Anwendung eignet. Nachfolgend sind die abschließenden relativen Bewertungen aufgeführt, um dem Anwender eine Entscheidungshilfe an die Hand zu geben.