Experten-Interview zu den aktuellen Bildverarbeitungsschnittstellen

Neue Standards als Nische oder Trend?

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Durch zusätzliche Standardisierungsbestrebungen ist das Thema Schnittstellen nach wie vor von besonderer Bedeutung für die Akzeptanz und Effizienz moderner Bildverarbeitungssysteme. Um hier Transparenz zu schaffen, befragte die Redaktion im Rahmen des Trendteils „Data & Communication“ Branchenexperten von Baumer, Cognex, IDS, Matrix Vision, MVTec und Rauscher.

elektro Automation: Mit CoaXPress, CameraLink HS, GigE Vision 2.0 und USB3 Vision gibt es neue Schnittstellenstandards für BV-Kameras. Wie bewerten Sie diese?

Benz: GigE Vision 2.0 wird u.a. die von Baumer implementierte Dual-Gigabit-Ethernet-Schnittstelle beinhalten. Dadurch kann eine Verdopplung der Bandbreite bei einfacher Integration erreicht werden. Die Baumer HXG bietet 230 Bilder je Sekunde bei 1 MPixel Auflösung und ist damit die erste Kamera, die dieses Interface komplett ausnutzen kann. GigE Vision wird mit Version 2.0 seinen Vorsprung gegenüber anderen heute verfügbaren Schnittstellen bzgl. Funktionsumfang, Netzwerkfähigkeit und Interoperabilität weiter ausbauen. USB3 Vision wird sich in Segmenten schnell durchsetzen, in denen eine hohe Bandbreite, geringe CPU-Belastung, einfache Bedienung sowie geringe Kosten gefordert werden. Sowohl CoaXPress als auch CameraLink HS adressieren Limitierungen von CameraLink. Bei CoaXPress ist die Standardisierung bereits abgeschlossen und erste Produkte verfügbar. Langfristig sehen wir jedoch größeres Potenzial für CameraLink HS. Damit erreicht man eine höhere Bandbreite und auch optische Kabel können optional eingesetzt werden. Da kein spezieller Phy-Controller erforderlich ist, wird das Kameradesign zudem vereinfacht.
Hörmann: Für Anwender sind die Unterschiede der vielfältigen Standards kaum noch erkennbar und der Nutzen dieser Standardisierungen somit mehr als zweifelhaft. Mit USB3 Vision soll jetzt ein Mainstream-Interface für den Industriekamera-Markt zusätzlich standardisiert werden. Entscheidend für den Anwender ist jedoch, ob die Schnittstelle ideal für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Weiterhin, ob ein einfacher Austausch bei veränderten Anforderungen in der Anwendung möglich ist. Dies ist trotz aller Standardisierungen nicht gewährleistet und der angebliche Nutzen dieser Standards somit für den Kunden nicht vorhanden. Lediglich GenICam als unabhängige Hard- und Softwareschnittstelle bietet einen erfolgversprechenden Standardisierungsansatz, der für die meisten Anwendungen kompatibel ist. Solange GenICam jedoch noch keine Universallösungen bietet, wird IDS weiter einen eigenen Weg gehen. Wir liefern mit unseren Kameras ein leistungsfähiges Software-Paket, das aus dem Software Development Kit der IDS Framegrabber weiterentwickelt wurde. Dieses bietet für alle unsere USB-2.0-, -3.0- und GigE-Kameras eine einfache Integration und vor allem uneingeschränkte Flexibilität beim Kamerawechsel ohne erneuten Programmieraufwand. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Kameras via GenICam und einem separatem Transportlayer einzubinden. Dies zeigt, dass weitere Schnittstellen-Standardisierungen in Richtung GigE oder USB 3.0 Vision überflüssig sind.
Kimmelmann: Diese Entwicklung ist nur natürlich: Neue Flächen- und Zeilensensoren dringen in bisher ungeahnte Dimensionen vor, die ein schnelleres Interface benötigen. So treten CoaXPress und CameraLink HS dort an, wo das heutige CameraLink nicht genug Geschwindigkeit bietet. Auf der Vision 2011 waren bereits zahlreiche Implementierungen verschiedener Kamera- und Framegrabber-Hersteller mit CoaXPress zu sehen. GigE Vision 2.0 und USB3 Vision sind eher Weiterentwicklungen von bestehenden Interfaces für Anwendungen mit niedrigen und mittleren Datenraten. So erweitert die Version 2.0 den Funktionsumfang des heute äußerst erfolgreichen GigE-Vision-Standards. Mit USB3 Vision wird erstmals die Bildübertragung über den USB-Bus industrieweit hard- und softwareseitig standardisiert. Beide sind in Anwendungen interessant, in denen besonderes Gewicht auf einfachste Anbindung an bestehende PC-Hardware und geringe Kosten liegt.
Mattfeldt: Das Interface-Rennen geht in die nächste Runde. Immer mehr Sensoren mit mehr Pixeln und schnelleren Frameraten benötigen höhere Interface-Geschwindigkeiten. Wir arbeiten aktiv mit an der AIA-Spezifikation für USB3-Vision. Dies garantiert in nächster Zukunft den Anschluss von USB3-Kameras so einfach wie bei GigE Vi- sion. CameraLink HS sehen wir derzeit eher weniger in Europa, CoaxPress fängt wohl langsam an. Nicht vergessen werden sollte, dass die Netzwerktechnik mit 10 GigE den nächsten Quantensprung gemacht hat, der sich allmählich weiter verbreitet.
Zierl: Als Software-Hersteller schauen wir natürlich vor allem darauf, wie sich ein neuer Schnittstellenstandard „nach oben“, also zur Anwendungssoftware hin, darstellt. Hier hat GigE Vision 2.0 den großen Vorteil, dass die etablierten Treiber und Softwareschnittstellen relativ einfach angepasst werden können. USB3 Vision ist aus Software-Sicht ähnlich wie GigE Vision, d.h. es wird auch hier generische Treiber geben, die alle USB3-Vision-Kameras unterstützen. CoaXPress hat gegenüber CameraLink HS den Vorteil, dass es sich auf den Standard GenICam GenTL abstützt. Das bedeutet in der Praxis, dass Bildverarbeitungsbibliotheken wie Halcon, die diesen Standard bereits unterstützen, schon die fertige Softwareschnittstelle mit sich bringen. Für CameraLink HS dagegen wird es weiterhin proprietäre Software-Schnittstellen geben müssen, die dann nur die Framegrabber eines bestimmten Herstellers unterstützen.
Zöller: Diese neuen Schnittstellen bauen alle auf bereits bestehenden Standards auf und sind wichtige Entwicklungen zur Steigerung der Leistungs- und Funktionsfähigkeit. Die Auswahl der einzusetzenden Schnittstelle wird bestimmt durch die Aufgabenstellung einer Vision-Applikation mit ihren Vor- und Nachteilen. Jeder dieser neuen Standards hat damit ein entsprechendes Marktpotenzial. Wir haben in der Vergangenheit unser breites Produktportfolio anwendungsorientiert strukturiert und sind deshalb weitgehend offen in den verwendeten Schnittstellen. Von ID-Lesegeräten über die Vision-Sensoren, Vision-Systeme bis hin zu sehr komplexen Vision-Anforderungen stehen unterschiedliche Schnittstellen zur Verfügung. Wir sind in verschiedenen Standardisierungsgremien eingebunden und verfolgen die Entwicklung sehr aufmerksam. Erweiterte Optimierungspotenziale in den Produktionsprozessen einer digitalen Fabrik ergeben sich vor allem durch eine ‚ganzheitliche‘ Betrachtung.
elektro Automation: Wie sieht Ihre Entwicklungs-/Vertriebs-Roadmap für entsprechende Kameras aus?
Benz: Baumer wird GigE Vision 2.0 noch in diesem Jahr in verschiedenen Kameraserien umsetzen. Bei anderen Schnittstellen sind wir, wie bei GigE Vision, ein aktives Mitglied in den Standardisierungs-Gremien. Unser Schwerpunkt liegt dabei auf USB3 Vision.
Hörmann: Für uns steht ganz klar USB 3.0 als zukunftsträchtige Schnittstelle im Vordergrund. In den nächsten Jahren erwarten wir noch leistungsfähigere und schnellere CCD- und CMOS-Sensoren und die Performance dieser Schnittstelle komplementiert die neuen Sensoren. Wir planen daher, unser Sensorportfolio entsprechend der Möglichkeiten von USB 3.0 zu erweitern sowie diese Hochgeschwindigkeits- und hochauflösenden Sensoren in unsere neue Kamerafamilie zu integrieren. Die ersten Modelle USB 3 uEye CP sind bereits im ersten Quartal 2012 erhältlich, neue Sensoren folgen dann sukzessive im Verlauf des Jahres.
Kimmelmann: Unsere Partner Mikrotron und e2v bieten High-End-Kameras mit CoaXPress an: die Mikrotron-Flächenkamera EoSens 4 mit vier MPixel und 500 Bilder/s bzw. Full-HD-Auflösung und 1000 Bildern/s liefert über 2 GByte/s Datenrate. Die e2v-Zeilenkamera ELiiXA+ generiert 1,6 GByte/s Bilddaten bei einer Auflösung von 16000 Pixel/Zeile und 100 kHz Zeilenrate. Äußerst günstige Low-End- und Mid-Range-Kameras mit dem kommenden USB3-Vision-Standard wird Basler gegen Ende 2012 vorstellen: Sobald der Standard offiziell verabschiedet ist, wird die kompakte und kostengünstige ace-Kameraserie auf Basis von Sony- und CMosis-Sensoren neben dem GigE-Vision-Interface auch mit USB3 verfügbar sein.
Mattfeldt: USB3 taucht in 2012 in den PC-Chipsätzen auf, nach Fertigstellung der Spezifikation sollten dann auch zeitnah die passenden Kameras erscheinen.
Zierl: Als Hersteller der Bildverarbeitungs-Bibliothek Halcon sind wir grundsätzlich daran interessiert, den Bildeinzug mit allen marktüblichen Standards zu unterstützen. Im Einzelnen heißt das: CoaXPress-Kameras bzw. -Framegrabber können jetzt schon durch das universelle Halcon GenICamTL Interface angesprochen werden, was auf der Vision 2011 bereits zu sehen war. Da CameraLink HS sich „under the hood“ verhält, kann es kein dediziertes Halcon-Interface dazu geben. Sobald die SDKs der Hersteller auch CoaXPress unterstützen, werden wir prüfen, ob die bestehenden Interfaces zu diesen Framegrabber-Familien damit funktionieren und diese ggf. anpassen. Als aktives Mitglied im GigE-Vision-Komitee wissen wir bereits sehr genau über die Änderungen in GigE Vision 2.0 Bescheid. Wir werden sicherlich im Laufe von 2012 unser etabliertes Halcon-Interface entsprechend erweitern. Bei USB3 Vision ist MVTec ebenfalls maßgeblich an der Entwicklung beteiligt. Ich gehe davon aus, dass zeitnah zur Veröffentlichung dieses neuen Standards ein Interface dafür zur Verfügung steht.
Zöller: Wir entwickeln und liefern keine Kameras, sondern anwendungsorientierte komplette Komponenten für Aufgaben unterschiedlicher Komplexität. Unsere Philosophie ist im Prinzip die gleiche wie in der Vergangenheit. Kleiner, feiner, leistungsfähiger, präziser, flexibler, einfachste Bedienung und Wartung sowie reibungslose Prozessintegration. Wie im vergangenen Jahr werden wir auch in diesem Jahr ein Reihe neuer Produkte vorstellen.
elektro Automation: Gerade CoaXPress und CameraLink HS zielen auf Hochge-schwindigkeitsanwendungen ab. Sehen Sie in der Praxis mittelfristig einen besonderen Trend hin zu High-Speed-Applikationen?
Benz: High Speed ist seit Jahren ein wichtiges Thema für Baumer. Immer schnellere Produktionsprozesse erfordern sehr hohe Bildraten zur Visualisierung, Optimierung und Prüfung. Damit können Qualität und Durchsatz verbessert werden. Mit der HX-Kameraserie bieten wir neben hoher Geschwindigkeit auch eine exzellente Auflösung bei sehr guter Bildqualität. Dadurch werden Details auch bei schneller Bewegung sichtbar. Die Leistung von Hochgeschwindigkeitskameras wird auch in Zukunft weiter steigen. Ein spezielles Phänomen High Speed gibt es jedoch nicht. Vielmehr nimmt die Performance in sämtlichen Bereichen von Bildverarbeitungslösungen zu.
Hörmann: Der allgemeine Trend und die industriellen Anforderungen im Machine- Vision-Bereich gehen eindeutig Richtung schnellere und höher auflösende Sensoren. Dies resultiert somit in höherer Geschwindigkeit sowie noch besserer Bildqualität und Farbtiefe. Diese Anforderungen erfüllen insbesondere die neuen CMOS-Sensoren von CMosis und e2v sowie innovative CCD-Sensoren von Kodak und Sony. Die Entwicklung leistungsstarker Rechner ist ein weiterer Aspekt, der diesen Trend unterstützt. USB 3.0 ist für diese Hochgeschwindigkeitssensoren ideal geeignet und verspricht spezifische Vorteile wie universelle Verfügbarkeit und kostengünstige Lösungen. Somit wird USB 3.0 Camera Link, CoaXPress und Firewire deutliche Marktanteile abnehmen.
Kimmelmann: Im Bildverarbeitungsmarkt werden – ganz unabhängig von der technologischen Entwicklung im Hard- und Softwarebereich – die verschiedensten Anwendungen parallel existieren: einfache Anwendungen, die keine hohen Anforderungen an Auflösung, Geschwindigkeit und Rechenleistung stellen sowie High-End-Anwendungen, die aus allen Komponenten Optik, Kamera, Framegrabber, Software das Maximum herauskitzeln. Die neuen Schnittstellen zusammen mit den verfügbaren höchstauflösenden, schnellen Kameras werden ganz klar neue, anspruchsvolle Anwendungen ermöglichen, aber unserer Meinung nach keinen generellen Trend für die Bildverarbeitung auslösen.
Mattfeldt: Beide Schnittstellen werden aus unserer Sicht Nischenschnittstellen bleiben.
Zierl: Es gibt ja den Trend „höher, schneller, weiter“, der auch für die industrielle Bildverarbeitung gilt. Es wird zwar weiterhin Anwendungen in allen Geschwindigkeitsklassen geben. Aber ich glaube auch, dass die Menge der zu verarbeitenden Sensordaten pro Zeiteinheit immer weiter zunehmen wird. Das muss nicht bedeuten, dass sich nur die Framerate erhöht, sondern dass gleichzeitig oft eine höhere Auflösung verwendet wird – und damit eine höhere Bandbreite benötigt wird. Es hängt eben immer von der Anwendung ab.
Zöller: Vor zehn Jahren betrachtete man das Marktpotenzial in der Pyramide der Vision-Anwendungen mit ganz anderen Augen und Einschätzungen. Damals wurde die Spitze der Pyramide als ein kleiner Markt komplexer Lösungen eingeschätzt. Mit den heute gegebenen Möglichkeiten der Realisierung von sehr komplexen Anforderungen ist parallel dazu auch die Nachfrage erheblich gestiegen. Beispiele sind z.B. extrem schnelles Pick&Place sowie blitzschnelles gleichzeitiges Lesen von mehreren unterschiedlichen ID-Codes. Die Prozesse in der Fertigung werden immer schneller und dementsprechend benötigt man zunehmend BV-Lösungen, welche mit ihren Schnittstellen die High-Speed-Anforderungen gewährleisten.
elektro Automation: Welche BV-Schnittstellen werden von den Anwendern am meisten nachgefragt und wie wird sich die Verteilung mittelfristig entwickeln?
Benz: Der Fokus unserer Kunden liegt derzeit klar auf GigE Vision. Diese Schnittstelle bietet mit relativ hoher Bandbreite, Kabellängen bis 100 m und der Möglichkeit zum Aufbau von komplexen Kameranetzwerken viel Performance und Flexibilität für typische Bildverarbeitungsapplikationen. Durch die umfassende Standardisierung und hohe Interoperabilität mit Softwarepaketen zur Bildverarbeitung ist zudem eine einfache Integration sichergestellt. Dies spiegelt auch die Marktentwicklung wieder – GigE Vision wurde in sehr kurzer Zeit die wichtigste Schnittstelle für Neuentwicklungen im Machine-Vision-Bereich. Diese Position wird mit Version 2.0 durch erweiterte Funktionalität und höhere Performance weiter ausgebaut.
Hörmann: USB hat sich in den vergangenen Jahren als Mainstream-Interface bewiesen. Dies zeigen insbesondere die Bestrebungen, einen USB3-Vision-Standard zu entwickeln. IDS hat in den letzten neun Jahren bewiesen, dass USB nicht nur eine industrietaugliche Kameraschnittstelle, sondern für viele Anwender auch die erste Wahl ist. Unsere Verkaufszahlen aus den vergangenen Jahren dokumentieren eindeutig, dass USB nicht nur im Konsumerbereich ein Mainstream-Interface ist, sondern auch eine industrietaugliche Kameraschnittstelle. Die Anwender wollen eine Schnittstelle, die universell verfügbar ist sowie bequemes und bekanntes Plug&Play bietet. Hinzu kommt, dass USB eine zusätzliche Stromversorgung obsolet macht, was vor allem im Embedded-Bereich vielfältige Vorteile bietet. Auch der Kostenfaktor ist ein entscheidendes Kriterium: Applikationen sollen einfach umsetzbar und vor allem kostengünstig sein. Universalität, Flexibilität, Einfachheit in der Umsetzung und niedrige Kosten sind für Kunden die wichtigsten Entscheidungskriterien bei der Schnittstellenwahl.
Kimmelmann: Nachgefragt sind heute ganz klar GigE Vision im Standardbereich sowie CameraLink in den schnellen Applikationen. Bei den Stückzahlen ist GigE Vision in Front, umsatzseitig ist das Rennen wieder ausgeglichen. Wir gehen davon aus, dass dies künftig auch so bleibt: GigE und USB3 werden die weiteste Verbreitung bei gleichzeitig niedrigsten Preisen erreichen. High-End-Anwendungen sind weniger kostenkritisch und erzielen höhere Umsätze, erreichen aber weniger Marktdurchdringung. Für unsere Kunden ist es wichtig, dass Rauscher als Distributor für Bildverarbeitungskomponenten – über verschiedene Hersteller hinweg – alles anbietet: ausgereifte und robuste Komponenten für jede Anwendung, egal ob Low-Cost oder High-End. Denn niemand kennt bereits heute die Aufgabe von morgen.
Mattfeldt: Das hängt von den Märkten ab: Viele Anwendungen in medical und life science können mit USB-Geschwindigkeit und -Kabellänge sehr gut arbeiten, darüber hinaus ist GigE die Schnittstelle mit dem größten Potenzial. USB3 kann durch mehr Bandbreite und besseres Multikamerahandling einiges zu seinen Gunsten verändern, aber in industriellen und rauen Umgebungen ist die Netzwerktechnik erste Wahl.
Zierl: Derzeit ist sicherlich Ethernet der am meisten verwendete Transport-Layer, und in diesem Segment spielt der GigE-Vision-Standard eine überragende Rolle, nicht zuletzt wegen der gleichzeitigen Verwendung des GenICam-Standards: GigE-Vision-Kameras können sehr unterschiedliche Features haben, und gleichzeitig doch alle kompatibel zum Standard sein. Mittelfristig erwarte ich, dass sich neben GigE Vision auch vermehrt der Transport-Layer USB 3.0 etablieren wird, insbesondere auch wegen des neuen Standards USB3 Vision, der dann proprietäre Lösungen verdrängen wird. FireWire wird dagegen weiterhin an Bedeutung verlieren. Für anspruchsvolle und zeitkritische Anwendungen bleiben Framegrabber unabdingbar, und sowohl CoaXPress als auch CameraLink HS werden hier sicherlich durch die etablierten Framegrabber-Hersteller ihren Markt finden. Ob einer dieser Standards mittelfristig wirklich eine ähnliche Marktdurchdringung wie der bisherige CameraLink-Standard erreichen wird, wage ich zu bezweifeln. Meiner Meinung nach bleibt das Rennen hier offen, und der CameraLink-Standard wird bei den Framegrabbern bis auf weiteres die Rolle annehmen, die in den letzten Jahren den Analogkameras zugefallen ist.
Zöller: Der Anwender befasst sich meist weniger mit der BV-Schnittstelle, denn es geht ihm primär um die Lösung seiner bevorstehenden Aufgaben. Die liefert ihm hauptsächlich der Systemintegrator oder das Systemhaus, und das mit bestmöglicher Einbindung in die gesamten Produktionsprozesse. Hier gibt es auch Einflüsse des Marktes, die eng mit einzelnen Branchen verbunden sind. So bewirken die internationalen Normen, Gesetze und Regularien zur lückenlos dokumentierten Produkt-Rückverfolgbarkeit eine verstärkte Nachfrage von Lösungen rund um das Codelesen mit Integration der Unternehmenskommunikation. Das Ethernet ist alltäglicher Bestandteil und wird sich dementsprechend weiter entwi-ckeln und ausbauen. Mittelfristig ist man gut beraten wenn man die BV-Schnittstelle auch in den Blickwinkel der übergeordneten ‚digitalen Fabrik‘ rückt. zg
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