Bildverarbeitung

Zukunftssichere Kamera-Schnittstelle USB 3.0

Der Wechsel von FireWire auf USB 3.0 birgt Einsparpotenzial bei geringem Aufwand

21.05.2014 -

Wie lange lässt sich mein FireWire-Kamerasystem noch warten, wann und zu welcher anderen Schnittstelle sollte ich wechseln? Diese Fragen beschäftigen derzeit Anwender weltweit. Denn FireWire verliert langsam die Unterstützung in der PC-Welt und wird mittelfristig vom Markt verschwinden. Die neue USB 3.0-Schnittstelle und ihr Bildverarbeitungsstandard USB3 Vision sind wegen der technischen Nähe zu FireWire ein attraktiver Nachfolger. Zudem bietet USB 3.0 überschaubare Kosten und Zukunftssicherheit, so dass sich der einmalige Aufwand zum Wechseln schnell lohnt.

FireWire ist zweifellos eine der erfolgreichsten Kamera-Schnittstellen weltweit. Ihr Lebenszyklus nähert sich jedoch langsam dem Ende, so dass Nutzer von FireWire-Kameras sich mittelfristig mit der Frage beschäftigen müssen, wie es mit ihrem Kamerasystem weitergeht und auf welches Interface sie wechseln sollten. Dabei haben sie grundsätzlich die Wahl zwischen mehreren Schnittstellen. Die wichtigsten Interfaces, die derzeit infrage kommen, sind USB 3.0, Gigabit Ethernet und Camera Link. Jede Schnittstellen-Technologie hat ihre spezifischen Vorteile. So ist Gigabit Ethernet zwar in der Bandbreite auf 100 MB/s beschränkt, bietet aber Vorteile durch die Verwendbarkeit sehr langer Kabel von bis zu 100 m oder durch den einfachen Aufbau von Mehr-Kamerasystemen. Camera Link Full basiert zwar auf einem Framegrabber-Setup, bietet aber eine Bandbreite bis 850 MB/s. Grundsätzlich gilt: Je näher die Schnittstellen in den technischen Grundzügen beieinander liegen, desto einfacher fällt der Wechsel. Bei USB 2.0 oder FireWire gilt dies insbesondere für einen Wechsel auf USB 3.0.

FireWire wird nicht mehr unterstützt

Die Gründe, warum man von FireWire auf ein anderes Interface wechseln sollte, sind vielfältig. Die relevantesten sind:

FireWire-Hardware wird teurer und immer schwieriger zu beschaffen. Mittelfristig wird sie nicht mehr verfügbar sein.

Änderungen in der Software oder der Übergang zu einem anderen Betriebssystem machen einen Wechsel notwendig. Schon bei Windows 8 wird kein natürlicher Support für FireWire mehr geleistet, während USB 3.0-Host-Controller ohne jegliche Treiberinstallation sofort nutzbar sind.

• Die Bandbreite reicht nicht mehr aus, um aktuelle und vor allem zukünftige Anforderungen an das Vision-System wie z.B. höhere Bildraten, höhere Auflösung oder ein anderes Pixel-Format abzudecken.                                                                                                                                                    

• Die Einsparungen im Gesamtsystem rechtfertigen den einmaligen Integrationsaufwand schnell.


USB 3.0 echtzeitfähiger

In Fachkreisen hört man immer wieder, dass USB 3.0 und der Bildverarbeitungsstandard USB3 Vision, wegen der sehr ähnlichen technischen Eigenschaften ein empfehlenswerter Ersatz für die FireWire-Schnittstelle darstelle. Zwei wichtige Eigenschaften sind noch erwähnenswert: CPU-Last und Echtzeitfähigkeit. Selbst bei Datenraten über 350MB/s wird die CPU bei USB 3.0 kaum in Anspruch genommen. Dies liegt am Direct Memory Access von USB 3.0 auf dem Host-Rechner. Dabei werden schon vor der Bildübertragung Blöcke reserviert, damit der Mechanismus ohne einen Kopierprozess auskommt. Auch der entstehende Overhead ist sehr gering, d.h., zwischen Brutto- und Nettodatenrate ist nur ein geringer Unterschied. Spricht man über die Echtzeitfähigkeit von Vision-Systemen, sind meist verschiedene Stellen im System gemeint, wo Latenzzeiten und zeitlicher Jitter auftreten können. Die Latenzzeit beinhaltet die gemittelte absolute Zeit, während mit Jitter die zeitliche Variation von jedem gleichen Prozessschritt zum nächsten gleichen Prozessschritt gemeint ist. Der zeitliche Jitter ist also der wichtigere, um deterministisch vorhersagen zu können, wann ein nächster Prozessschritt passieren kann, der von einem vorherigen unbedingt abhängt. Bei Messungen zur Echtzeitfähigkeit zeigte sich, dass USB 3.0 kürzere Latenz-/Jitterzeiten als FireWire aufweist und im Sinne der Echtzeitfähigkeit das vorteilhaftere Interface ist.

Gleicher Sensor, geringer Änderungsaufwand

Bei einem Wechsel von Firewire auf USB 3.0 fallen Änderungen bei Hardware und Software an. Das Beispiel eines Ein-Kamera-Systems für die klassische Objektinspektion zeigt: Die gesamte Mechanik in diesem System ist auf dieses Objekt angepasst, d.h., die Abstände sind auf das verwendete Objektiv, das gewählte Sensorformat und dessen Auflösung abgestimmt und eventuell ist auch eine ganz spezifische Beleuchtung darauf zugeschnitten. Soll nun dieses Setup mit USB 3.0 ausgestattet werden, dann ist es zur Minimierung des Änderungsaufwands vorteilhaft, eine USB 3.0-Kamera mit dem gleichen Sensor auszuwählen. So kann der gesamte optische Aufbau beibehalten werden. Falls eine USB-Kamera mit identischem Sensor nicht zu finden ist, bietet sich oft eine Alternative mit einem abweichenden Sensor gleicher oder ähnlicher Sensorgröße und Empfindlichkeit an. Die Gehäusegröße der USB 3.0-Kamera sollte ähnlich, aber keinesfalls größer als die der bisher verwendeten FireWire-Kamera sein. Idealerweise sollte die Kamera auch das gleiche Befestigungsschema besitzen.

Software-Aufwand beim Wechsel: mit GenICam minimal

Das Setup hinter der Kamera gestaltet sich meist etwas einfacher: Die Kamera ist über ein FireWire-Kabel mit dem PC verbunden, der entweder eine PCIexpress-Einsteckkarte hat oder am Mainboard direkt Anschlüsse für das FireWire-Kabel besitzt. Für eine präzise Triggerung wird ggf. noch ein Kabel für die Hardware-Triggerung an der Kamera benutzt. Auf PC-Seite müssen also das Kabel und entweder die komplette PC-Hardware oder die PCIexpress-Karte getauscht werden.
Insgesamt können so die einmaligen Kosten für alle Hardware-Änderungen gering gehalten werden. In Bezug auf die langfristigen Materialkosten pro System bietet neue PC-Hardware meist sogar einen Preisvorteil.

Der Integrationsaufwand für die Software kann deutlich stärker variieren. Dabei lassen sich zwei Extreme unterscheiden:

• Variante 1: Proprietäre, auf DCAM basierende Software-Umgebung. Die proprietäre Software unterstützt nur DCAM-kompatible Kameras und lässt sich nicht so einfach für Kameras mit neueren Interface-Standards, wie z.B. USB3 Vision, verwenden. Die Software-Schnittstelle muss dann auf den GenICam-Standard hin neu programmiert werden. Die gute Nachricht hierbei: Wurde die Portierung nach GenICam einmal durchgeführt, ist man auch für andere aktuelle und künftige Machine-Vision-Software-Schnittstellen gerüstet, denn GenICam ist der Standard, dem alle Interface-Technologien genügen müssen.

• Variante 2: GenICam-basierte Softwareumgebung. Hier sind nur leichte Anpassungen nötig. Idealerweise bringt die Softwareumgebung mit einem Update alle Treiber für den USB3-Vision-Standard und die Ansteuerung der Kameras mit sich.


Einsparpotenzial und Rentabilität im ersten Jahr durch USB 3.0

Das folgende Rechenbeispiel stellt dar, wie sich der Wechsel auf USB 3.0 rein aus Beschaffungssicht lohnt. Wechselt man auf ein USB 3.0-Modell mit gleichem Sensor, sind hauptsächlich Aufwendungen im Bereich Software notwendig, um die Software-Schnittstelle an das neue Kamera-Interface anzupassen. Ein kleinerer Anteil entfällt zusätzlich auf die Hardware, um die Kamera zu befestigen und USB 3.0 mit Kabel und Ports zu installieren. Durch die Verwendung des gleichen Sensors sind keine Anpassungen an der Optik, Maschinenmechanik oder Beleuchtung notwendig. Der Vergleich zeigt, dass schon im ersten Jahr der Break Even Point erreicht wird. Ab dem zweiten Jahr sind Einsparungen im größeren fünfstelligen Bereich möglich. Das Beispiel basiert auf einer Anzahl von 100 Kameras. Die Kosten für Kabel und Hardware wurden nicht betrachtet, wobei auch hier Einsparungen zu erwarten sind, denn USB 3.0-Hardware-Setups sind tendenziell 20% günstiger.

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