HOE SELECTEER IK EEN MACHINE VISION CAMERA-INTERFACE (USB3 / GIGE / 5GIGE / 10GIGE VISION)?

Whitepaper over machinevisiecamera-interface

Dit artikel gaat dieper in op wat de voor- en nadelen zijn van elk type machine vision-camera-interface, zodat u de juiste interface voor uw machine vision-toepassing kunt selecteren. Opgemerkt moet worden dat GeT-camera's alleen USB 2.0- , USB 3.0- , GigE- , 5GigE- en 10GigE-machine vision-camera's leveren en het artikel zal zich voornamelijk richten op deze vijf industriële machine vision-interfaces. In de onderstaande tabel hebben we echter ook andere interfaces opgenomen om het overzicht van industriële machine vision-camera-interfaces compleet te maken.

	USB2	USB3	FireWire	GigE	CameraLink	Coaxpress	5GigE	10GigE
Bandbreedte (Megabyte/s)	40	400	80	100	Basis = 250 Gemiddeld = 500 Vol = 750	1 baan = 750 2 rijstroken = 1500 3 rijstroken = 2250 4 rijstroken = 3000	500	1000
5 MP-camera Maximale framesnelheid	8 fps	80 fps	16 fps	25 fps	150 fps	600 fps	100 fps	200 fps
Kabellengte (maximaal)	5m	4,6 m	10m	100m	7m	100m	100m	100m
Stroom + gegevens op één kabel	Ja	Ja	Ja	Alleen als PoE	PoCL	Ja	Alleen als PoE	Alleen als PoE
Frame-grabber verplicht	Nee	Nee	Ja	Nee	Ja	Ja	Nee	Ja
Kabel kosten	Laag	Laag	Medium	Laag	Hoog	Laag	Laag	Laag
Camerakosten	Heel laag	Laag	Laag	Laag	Hoog	Hoog	Medium	Hoog
CPU gebruik	Medium	Laag	Laag	Medium	Laag	Laag	Medium	Medium
Klant aanvaarding	Dalend	Goed	Eind van het leven	Goed	Dalend	Groeien	Groeien	Groeien
Meerdere camera's	Eerlijk	Uitstekend	Uitstekend	Goed	Eerlijk	Uitstekend	Uitstekend	Uitstekend

Wat is de bandbreedte van een machine vision camera- interface ?

Het eerste onderwerp dat we zullen bespreken is de bandbreedte van een machine vision camera- interface . Simpel gezegd is bandbreedte een manier om de hoeveelheid gegevens te meten die gedurende een bepaalde periode tussen computers kan worden verzonden. Bij machine vision gaat het om de hoeveelheid beelddata die vanuit de machine vision camera naar een hostcontroller kan worden gestuurd. De bandbreedte wordt gemeten in megabytes per seconde, wat betekent dat een USB2.0 machine vision-camera beeldgegevens kan verzenden die overeenkomen met 40 megabyte per seconde.
Dit betekent ook dat een USB 3.0 machine vision camera- interface (indien gebruikt op volledige capaciteit) beeldgegevens kan verzenden die equivalent zijn aan 400 megabyte per seconde, wat ongeveer 10 keer meer is dan de USB 2.0 machine vision camera-interface. Bij het verzenden van grote hoeveelheden gegevens (groot bandbreedtegebruik) kost het de computer ook meer tijd om deze gegevens te verwerken. Hierdoor duurt het langer voordat de computer een beeld reconstrueert. Een grote bandbreedte zorgt er echter voor dat de gegevensoverdracht sneller verloopt, waardoor de hostcontroller eerder en sneller kan beginnen met het berekenen en reconstrueren van beelden. Dit is vaak vereist bij machine vision-toepassingen.

Prestatiefactor voor bandbreedte van de machine vision-camera-interface

De maximale bandbreedte van uw machine vision-camera-interface is slechts een van de weinige factoren die de uiteindelijke gegevensdoorvoer beïnvloeden, wat resulteert in minder beelden per seconde. Latentie, jitter en pakketverlies kunnen uw datadoorvoer verminderen, maar ook de kwaliteit van uw kabel kan ervoor zorgen dat er minder bandbreedte beschikbaar is. We raden u aan onze handleidingen over USB 3.0- of GigE machine vision-camera's te lezen, waar we deze problemen aanpakken.
Het is erg afhankelijk van de machine vision-toepassing en de beperkingen van uw systeem welke bandbreedte nodig is. Over het algemeen kun je zeggen dat als je een 2Megapixel camera hebt, elk beeld 2 Megabyte groot is. Als uw vereiste 10 afbeeldingen per seconde specificeert, is de vereiste bandbreedte 2x10=20 megabyte per seconde. Elke machine vision-camera-interface kan deze bandbreedte dekken. Als de vereiste echter 100 beelden per seconde is, hebt u 2x100=200 megabyte per seconde bandbreedte nodig en blijft alleen de cameralink-, coaxpress-, USB 3.0-, 5GigE- en 10GigE-machine vision-camera- interface over.

Wat is de maximale kabellengte voor een machine vision camera-interface?

Het tweede discussiepunt is de maximale kabellengte van de machine vision camera-interface. Deze maximale kabellengtes geven aan met welke kabellengte je toch met de maximale hoeveelheid bandbreedte kunt werken. Er zijn bijvoorbeeld USB 3.0-kabels die tot 25 meter lang zijn, maar dit aantal overschrijdt ruimschoots de 4,6 meter machine vision USB 3.0-kabels, waardoor een groot deel van de bandbreedte verloren gaat. De bekabeling varieert afhankelijk van de mate van flexibiliteit die u wenst en heeft ook invloed op de hoeveelheid bandbreedte die u wilt overdragen. Typische prijzen voor bekabeling zijn:
- USB2-kabel voor machine vision-camera kost tussen de 4 en 6 euro
- USB 3.0-kabel voor machine vision-camera kost tussen de 16 en 20 euro
- GigE-, 5GigE-, 10GigE-kabel voor machine vision-camera kost tussen de 8 en 10 euro
Wanneer de machine vision-camera op een bewegend platform wordt gemonteerd, is een Highflex-kabel vereist. Deze highflex kabel kan jarenlang meerdere keren per seconde, elke dag, buigen. GigE Highflex-kabels zijn de goedkoopste highflex-kabels voor machinevisie. Ze beginnen bij 50 euro.

Is een framegrabber vereist voor USB 2.0-, USB 3.0- en GigE machine vision-camera's?

Voor de interfaces USB 2.0, USB 3.0, GigE en 5GigE hebben de camera's geen Frame-grabber nodig. Alleen voor de machine vision interfaces zoals 10GigE, camera Link, Firewire B en Coaxpress is een framegrabber verplicht. Er moet echter worden opgemerkt dat 'framegrabber' een brede definitie heeft en aan interpretatie onderhevig is. Als een computer niet genoeg USB 3.0- of GigE-poorten heeft, hebben we een interfacekaart om het aantal USB 3.0- of GigE-interfacepoorten van de computer uit te breiden. Deze interfacekaart wordt ook wel een framegrabber genoemd. Alle interfacekaarten/framegrabbers die wij aanbieden zijn getest met onze machine vision camera's om op volledige bandbreedte te kunnen draaien.

Wat is de prijs voor een machine vision-camera?

Wat betreft de vijf soorten machine vision-camera-interfaces die wij aanbieden, is 10GigE de duurste en USB2 de goedkoopste machine vision-camera- interface . Ze zijn alle vijf nog steeds goedkoper dan camera Link- en Coaxpress-camera's. Met het competitieve prijsmodel zijn de goedkoopste modellen allemaal verkrijgbaar onder de € 100,-. Om dit in perspectief te plaatsen: een machine vision framegrabber voor coaxpress kost ongeveer €500 en een eenvoudige coaxpresscamera kost ongeveer €1000, bij elkaar opgeteld is dit €1500. Dit maakt het 10x duurder dan de USB 3.0 machine vision-camera-interface. Daarom zijn wij van mening dat we met de USB2-, USB 3.0-, GigE- en 5GigE-interface de meeste reguliere machine vision-toepassingen kunnen dekken.

Hoeveel is de CPU-belasting van de machine vision-camera?

Elke machine vision-camera-interface gebruikt CPU-kracht om de beelden van de interface naar het geheugen van de processor over te brengen. De hoeveelheid CPU-vermogen die nodig is, wordt gedefinieerd als CPU-belasting. USB 3.0 heeft een 'lage' CPU-belasting op de hostcontroller, terwijl USB2 en GigE een 'gemiddelde' CPU-belasting hebben. USB 3.0 heeft een lage CPU-belasting omdat het gebruik maakt van een totaal ander protocol dan USB2 en GigE en dit protocol minder bronnen nodig heeft.
USB 3.0, GigE, 5GigE en 10GigE machine vision camera-interface gebruiken een Unicast Dual-Simplex data-interface, deze interface maakt de overdracht van gegevens in beide richtingen mogelijk. Het werkt wanneer een hostgerichte procedure routepakketten en meldingen expliciet op allochrone wijze verzendt. Hierdoor kan de machine vision-camera een bericht naar de hostcontroller sturen wanneer deze klaar is voor gegevensoverdracht. Dit nieuwere mechanisme vermindert de systeem- en CPU-belasting in vergelijking met het pollingmechanisme in USB2.0. Ter verduidelijking: de USB2.0 machine vision camera-interface maakt gebruik van gegevensoverdracht in één richting, wat resulteert in het stapelen van meer gegevens (beeldpakketten) op de interfacekaart en meer werk op de CPU.
Een 5GigE machine vision-camera gebruikt ook extra CPU-belasting. De 5GigE-camera verzendt beelden met verliesvrije compressie via de 1000 mbit ethernet-interface naar de computer. De computer moet de afbeeldingen decomprimeren, wat resulteert in extra CPU-belasting.
Samenvattend: USB 3.0 heeft veruit het laagste CPU-gebruik, GigE en 10GigE hebben iets meer CPU-gebruik dan USB 3.0. 5GigE en USB2 hebben het hoogste CPU-gebruik.

Consumentenacceptatie en productlevenscyclus van machine vision-interfaces

Om u een steeds beter overzicht te geven van de productlevenscyclus dan in bovenstaande tabel, hebben we ook onderstaande grafiek getekend. Het toont de fase van de productlevenscyclus waarin elke machine vision-interface zich bevindt.

Invoering

De eerste twee machine vision-interfaces, die zich nog in de fase van introductie (en ontwikkeling) bevinden, zijn de 10 GigE- en N-BASE-T (5GigE)-producten. Beide machine vision-camera's zijn geschikt voor beeldvorming op hoge snelheid met behulp van de commerciële Cat6e ethernetkabels die worden gebruikt met normale GigE-camera's. 10 GigE Vision heeft ongeveer 10x de bandbreedte van een standaard GigE Vision-camera, maar vereist een 10GigE-netwerkkaart. N-BASE-T is gebaseerd op verliesloze beeldcompressie, waarbij een bandbreedte wordt bereikt die gelijk is aan USB 3.0, maar waarbij gebruik wordt gemaakt van normale Cat6e ethernetkabels met een lengte tot 100 meter. Het maakt ook gebruik van de standaard ethernetpoort van een pc, waardoor het een zeer snelle en kosteneffectieve oplossing is. De toekomst van deze interfaces ziet er veelbelovend uit, vooral voor N-BASE-T. We verwachten deze machine vision-interface eind 2019 uit te brengen.

Groei

Eén van de interfaces die in de groeifase genoemd wordt is Coaxpress. Deze interface is vergelijkbaar met 10 GigE en N-BASE-T omdat deze geschikt is voor beeldvorming op hoge snelheid. Het nadeel van deze interface is dat een framegrabber verplicht is en dat zowel de framegrabbers als de coaxpresscamera relatief duur zijn.

Volwassenheid

In de volwassenheidsfase zie je twee machine vision-interfaces die GeT-camera's verkopen, namelijk GigE en USB 3.0. De USB 3.0 Vision-standaard werd opgericht in 2011 en de GigE Vision-standaard in 2006, beide opgericht door de Automated Imaging Association. Wij zijn van mening dat beide machine vision-interfaces het hoogtepunt van hun volwassenheid hebben bereikt en dat de vraag momenteel het hoogst is. Wij verwachten dat GigE nog minimaal 5 jaar in de volwassenheidsfase zal blijven en USB 3.0 nog langer.

Afwijzen

De laatste twee machine vision-interfaces, USB2 en camera Link, bevinden zich in de achteruitgang. Door een beter alternatief (USB 3.0 in plaats van USB2 en Coaxpress in plaats van cameralink) zal de vraag de komende jaren blijven afnemen. USB2 heeft een zeer beperkte bandbreedte en het protocol is niet zo robuust, waardoor het slechts voor een klein aantal toepassingen geschikt is. Wanneer de machine vision-toepassing echter zeer minimale eisen stelt, is USB2 qua kosten de beste keuze. camera Link heeft een goede bandbreedte, maar is qua bandbreedte een dure optie vergeleken met Coaxpress, USB 3.0 en in de toekomst 10 GigE en N-BASE-T. Cameralink machine vision-camera's zijn ook duur en hebben dure kabels.

Meerdere machine vision-camera's

Wanneer u meerdere machine vision-camera's op één hostcontroller installeert, is het belangrijk om uw bandbreedtegebruik te controleren. Voor dit soort instellingen is doorgaans een interfacekaart met meerdere ingangen vereist. We behandelen alleen meerdere machine vision-camera-instellingen voor USB2, USB 3.0 en GigE.

Meerdere USB 3.0 machine vision-camera's

Vanaf USB 3.0 is deze machine vision- interface uitstekend compatibel met een meervoudig machine vision-camerasysteem. U kunt een sternetwerk of een point-to-point-netwerk gebruiken voor USB 3.0. Bij gebruik van een sternetwerk worden meerdere machine vision-camera's aangesloten op een enkele USB 3.0-hub. De USB 3.0 bandbreedte wordt verdeeld over de aangesloten USB 3.0 machine vision camera's. Dit komt omdat alle individuele USB 3.0 machine vision-camera's gebruik maken van de enkele bandbreedte van de host die is aangesloten op de USB 3.0-hub.
Bij de tweede optie, een USB 3.0 point-to-point-netwerk, sluit u elke USB 3.0 machine vision-camera rechtstreeks aan op de USB 3.0-hostcontroller. De USB 3.0-interfacekaart kan maximaal vier USB 3.0-hostcontrolleringangen hebben, waardoor vier USB 3.0 machine vision-camera's op één interfacekaart kunnen worden aangesloten. Elke USB 3.0 machine vision-camera kan nu de volledige bandbreedte van het USB 3.0-protocol gebruiken.

Meerdere GigE machine vision-camera's

GigE, 5GigE en 10GigE machine vision-camera's zijn ook een goede optie voor een meervoudig machine vision-camerasysteem. Met hoge flexibiliteit en goedkope bekabeling is het ideaal voor het monitoren van transportbanden en sport- en bewegingsanalyse met meerdere machine vision-camera's. Het principe is hetzelfde als bij USB 3.0-camera's. U kunt zowel een sternetwerk hebben met behulp van een ethernet-switch als een point-to-point-netwerk met behulp van een interfacekaart met meerdere GigE-ingangen.

Meerdere USB2.0 machine vision-camera's

De laatste interface die wij aanbieden, USB2.0, is het minst geschikt voor meerdere machine vision camera-opstellingen. Dit betekent niet dat u niet meerdere USB2.0 machine vision-camera's kunt aansluiten en gebruiken, maar betekent wel dat deze van de drie de slechtste prestaties levert. Ook hier zijn beide netwerkopties (ster en point-to-point) mogelijk, net als USB 3.0.

Hoe selecteer ik een machine vision-camera-interface?

Bij het selecteren van een interface voor een machine vision-camera bieden wij u de volgende richtlijnen:

• De USB2.0 machine vision-camera-interface is de goedkoopste en gemakkelijkst te gebruiken van alle drie de opties. Niettemin zijn de bandbreedte en de kabellengte beperkt. USB2.0 machine vision-camera's zijn ideaal voor toepassingen die maximaal 1,3 MP bij 30 fps of 5 MP bij 7 fps vereisen, met een kabellengte van niet meer dan 5 meter.
• De USB 3.0 machine vision-camera-interface is een van de snelste interfaces die we ondersteunen en gebruikt de minste hoeveelheid computerprocessorvermogen. Daarom is het ideaal voor beeldvorming met hoge resolutie en hoge snelheid. De kabellengte is daarentegen beperkt tot 4,5 meter.
• De GigE Vision camera-interface wordt vaak gebruikt in machine vision-toepassingen, waarvoor langere kabellengtes nodig zijn (tussen 5 en 100 meter). De bandbreedte is gemiddeld (tussen USB2.0 en USB 3.0). Dit maakt het ideaal voor de meeste machine vision-toepassingen. Zowel 20MP vision-camera's met lage framerates als lage resolutie vision-camera's met hoge framerates zijn verkrijgbaar met de GigE-interface.
• 5GigE Vision-interface is een nieuwe machine vision-interface met dezelfde prestaties als USB 3.0. De voordelen ten opzichte van USB 3.0 zijn de lange kabellengtes (tot 100 meter) en het gebruik van goedkope Cat6e-netwerkkabels. Deze machine vision-camera-interface gebruikt echter meer CPU-vermogen dan USB 3.0.
• De 10GigE Vision-camera-interface heeft een zeer hoge bandbreedte, waardoor deze ideaal is voor camera's met zeer hoge resoluties en hoge framerates. De kabels zijn goedkoop en lange kabellengtes zijn mogelijk. Deze machine vision camera-interface vereist een 10GigE framegrabber. De totale kosten voor deze machine vision camera-interface zijn hoger dan die van GigE, 5GigE en USB3.