GigE Vision in der Industriellen Bildverarbeitung

Wieder einmal tritt eine neue Schnittstelle und ein neuer Standard an, um das Interfacing zwischen Kamera und Host-PC zu vereinfachen: Gigabit Ethernet für Machine Vision, oder kurz GigE Vision.

Entwicklung von Kamerainterfaces
Für analoge Kameras und auch die digitalen Kameras mit klassischer paralleler Schnittstelle (RS-422, LVDS) implementierte jeder Hersteller sein eigenes Design ein Wechsel eingesetzter Komponenten war nur mit hohem Aufwand möglich, da kein Gerät wirklich austauschbar war.

Mit Camera Link definierten die Branchenvertreter der Bildverarbeitung erstmalig eine einheitliche Kameraschnittstelle. Vieles wurde damit vereinfacht: Camera Link stellt sicher, dass Camera Link konforme Geräte (Kamera, Framegrabber) kompatibel sind. Nicht vereinheitlicht wurde allerdings (mit Ausnahme der seriellen Schnittstelle) das Softwareinterface. Da jede Kamera unterschiedliche Features aufweist und mit unterschiedlichen Kommandos zu parametrisieren ist, kann eine bestehende Camera Link Applikation nicht ohne Portierungsaufwand auf neue Hardware umgestellt werden.

Einen Schritt weiter geht die DCAM Spezifikation für Firewire-Kameras. Neben der Hardwareschnittstelle ist hier auch die Kamerafunktionalität und die Softwareschnittstelle hierzu mehr oder minder fest definiert. Allerdings implementierte beinahe jeder Hersteller das Interface leicht unterschiedlich. Dies führt dazu, dass bis heute jeder Kamerahersteller sein eigenes SDK zu den Kameras mitliefert. Generelle und kameraunabhängige SDKs gibt es nur wenige (z.B. Matrox Imaging Library).

GigE Vision der neue Herausforderer
Ziel von GigE Vision ist es, ein herstellerunabhängiger Hard- und Sofwarestandard zu sein, der die Gerätesteuerung und Datenübertragung zwischen Kamera und Host-PC definiert.
Als Kommunikationsinterface basiert GigE Vision auf der Ethernet-Technologie. Obwohl der Name Giga-Ethernet nahe legt, kann GigE Vision für jede Ausbaustufe von Ethernet (10 Mbit, 100 Mbit, 1Gbit und künftig sogar 10 Gbit) implementiert werden. Mit einem Übertragungsvolumen von derzeit ca. 100 MB/s bietet GigE Vision ausreichend Bandbreite für viele Anwendungen. Darüber hinaus, bietet die Ethernet-Technologie einige interessante Vorteile: Kabelstrecken bis 100 Meter ohne die Verwendung von Repeatern/Hubs, die Verwendung äußerst kostengünstiger Standard-Infrastruktur (z.B. CAT5e/CAT6/CAT7-Netzwerkleitungen), zahlreiche Möglichkeiten der Infrastruktur-Topologie und vielfältige Ethernet-Transportmedien (z.B. Ethernet-over-Fiber).

GigE Vision definiert in vier Teilen vollständig die Kommunikation und Datenübertragung einer GigE Vision Kamera mit einer Netzwerkkarte.
Nach der Geräte-Erkennung (GigE Device Discovery and Enumeration) kennt die steuernde Host-Applikation alle im Netzwerk angeschlossenen Kameras und ist bereit jedem Gerät Steuer-Kommandos zu senden und Daten zu empfangen.
GVCP (GigE Vision Control Protocol) regelt, wie die Applikation das Netzwerkgerät steuert und sog. Stream-Channels zur Datenübertragung aufbaut. Darüber hinaus wird festgelegt, wie die Kamera Events an die Applikation zurück sendet um bestimmte Ereignisse zu signalisieren. Es ist zwar nur einer einzigen Applikation im Netzwerk erlaubt, die Kamera zu steuern, es ist aber möglich, dass mehrere Anwendungen gleichzeitig Daten von der Kamera empfangen.
Auch der Datentransfer basiert auf dem UDP Transport-Protokoll. GVSP, das GigE Vision Streaming Protocol ist zuständig für den Empfang der Bilddaten, Bildinformationen und anderer Informationen von der Kamera an die Anwendung.
Neben der reinen Datenübertragung regelt GigE Vision auch das Umsetzen der internen Kameraregister und -features in eine für alle Hersteller einheitliche Softwareschnittstelle verbindlich.

Wesentlicher Bestandteil ist der vom EMVA geführte Standard GenICam (Generic Interface for Cameras). Hierin wird geregelt, wie alle Kamerafeatures über eine kameraspezifische XML-Datei einheitlich angesprochen werden, so dass volle Softwarekompatibilität untereinander gewährleistet ist.

Komponenten für die Praxis
Da GigE Vision erst Mitte dieses Jahres endgültig verabschiedet wurde, sollen die wichtigsten Hardware- und Softwarekomponenten kurz vorgestellt werden, die für eine stabile Bildverarbeitungs-Anwendung auf Basis von GigE Vision empfohlen werden.

Hardware für GigE Vision
Der Vollständigkeit halber sollen die schon länger verfügbaren Camera Link nach Gigabit Ethernet Umsetzer erwähnt werden. Zumeist sind in diesen Geräten die Technologie des Herstellers Pleora implementiert (z.B. in DALSA Netlink). So wird beinahe jede beliebige Camera Link Kamera auf Gigabit Ethernet umgesetzt und kann die Vorteile der Ethernet Technologie nutzen. Zu beachten ist, dass die Datenübertragung nicht zu 100% GigE Vision entspricht.

Echte GigE Vision Flächenkameras werden zur Zeit immer besser verfügbar. So bietet Prosilica zum Beispiel bereits heute ein großes Spektrum an CCD und CMOS Kameras. Alle gängigen Auflösungen von 640x480 bis hin zu 2048x2048 Pixel in monochrom und Farbe und mit Bildwiederholraten von bis zu 200 fps sind lieferbar.

GigE Vision ist allerdings nicht auf Area-Scan beschränkt, auch Zeilenkameras nutzen bereits heute die Vorteile des GigE Vision Interface. So stellt die neue DALSA Spyder3 GigE Zeilenkamera einen großen Technologiesprung dar: Ein vollständig neu entwickelter Zeilensensor mit zwei Pixelreihen verdreifacht die Empfindlichkeit der gängigen Sypder2 Kameraserie. Mit 1024 bzw. 2048 Pixel/Zeile Auflösung und maximalen Zeilenraten von bis zu 68 kHz wird das GigE Vision Interface voll ausgenutzt. Alle gängigen Trigger- und Exposuremodi (externe Zeilensynchronisation, Belichtungskontrolle, etc.) sind natürlich auch ohne Framegrabber auf dieser Kamera realisierbar.

Für eine stabile Übertragungskette ist natürlich die Empfangsseite genauso wichtig. Da die Basistechnologie Ethernet stark vom Consumermarkt geprägt ist und damit kurze Produktzyklus-, Produkt-Lebenszeiten und oft auch ungewisse Produktverfügbarkeit einhergeht, sind nicht alle Netzwerkkarten für den industriellen Einsatz von GigE Vision tauglich. Bewährt und von vielen Herstellern empfohlen werden Netzwerkkarten auf Basis des Intel 82541PI Chipsatzes, die (aufgrund der Herkunft aus dem Servermarkt) die Host-CPU zum Dateneinzug nur minimal belastet.

Obwohl mit GigE Vision der Trend von spezialisierter Hardware weggeht, wird auf der VISION in Stuttgart dieses Jahr ein hochinteressantes Spezialboard von Matrox für GigE Vision vorgestellt. Es ist weit mehr als eine Gigabit Ethernet Netzwerkkarte aber dennoch kein Framegrabber. Es bietet genau die Intelligenz und Funktionen, die Framegrabber für Analog- und Camera Link Kameras haben, einer Netzwerkkarte jedoch vollständig fehlen – und ist damit das Beste aus beiden Welten: Framegrabber und GigE Vision.

Software für GigE Vision
Gerade weil der GigE Vision Standard noch sehr jung ist, liefert derzeit jeder Hersteller sein eigenes SDK zusammen mit der Kamera. Nur wenige Hersteller wie z.B. Prosilica bieten die Softwaretools für unterschiedliche Betriebssyteme wie Windows, Linux und sogar QNX – damit wird GigE Vision auf unterschiedlichen Prozessorarchitekturen (Intel x86, PowerPC) nutzbar.
Auch Matrox hat GigE Vision bereits voll in die Softwarebibliothek MIL (Matrox Imaging Library) integriert und bereits erfolgreich mit einer großen Anzahl unterschiedlicher Kameras verschiedenster Hersteller getestet. Als vollkommen schnittstellen-unabhängige Bibliothek unterstützt MIL damit jetzt alle Kamerainterfaces: Analog, Digital, Camera Link, IEEE 1394 und GigE Vision. Der Vorteil dieser allgemeinen Bildverarbeitungsbibliothek von langjährigen Bildverarbeitungsexperten liegt in den wesentlich mächtigeren, komfortableren und umfangreicheren Features und Funktionen im Vergleich zum „reinen“ Kameratreiber.

Das perfekte Interface?
Zweifellos bietet GigE Vision eine große Menge an Vorteilen für ein großes Spektrum an unterschiedlichen Anwendungen. Ist es damit das perfekte Interface für alle Anwendungen? Für den Low-End Bereich liegen derzeit aufgrund der kurzen Zeit, in der GigE Vision wirklich verfügbar ist die Preise noch relativ hoch. Der High-End Bereich wird sicherlich noch eine lange Zeit von Camera Link besetzt sein, da hier der Datendurchsatz nicht auf 100 MB/s limitiert ist sondern bis 1 GB/s reicht. Gerade bei Bildverarbeitungsaufgaben mit Zeilenkameras oder Multi-Kamera-Anwendungen wird dies schnell erreicht. Ideal ist GigE Vision derzeit sicherlich für den Mid-Range Bereich, der keine allzu große Anforderungen an das Datenvolumen stellt – hier kommen alle Vorteile voll zum Tragen.