Experten-Interview zur Bedeutung von Gige Vision und Genicam in der Bildverarbeitung Standardisierung mit Einschränkungen - wirautomatisierer

Experten-Interview zur Bedeutung von Gige Vision und Genicam in der Bildverarbeitung

Standardisierung mit Einschränkungen

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Nachdem die Bildverarbeitung in den letzten Jahren durch eine Schnittstellen-Vielfalt geprägt war, geht der Trend nun Richtung Standardisierung. So scheint sich bei den Schnittstellen Gige Vision durchzusetzen, und mit Genicam haben sich eine Reihe von Herstellern auf einen einheitlichen Software-Zugriff für Kameras geeinigt. Was diese Standards für die Branche bedeuten, dazu haben wir Experten von Basler, Baumer, Dalsa, IDS, Matrox, National Instruments, Rauscher, Stemmer und Videor Technical befragt.

eA: Gige Vision wird inzwischen von einer Vielzahl von Herstellern unterstützt. Werden andere Interfaces wie Firewire, USB und Camera Link weiter als feste Größe am Markt bleiben oder auf Anwendungen mit speziellen Anforderungen verdrängt werden?

Arzt: Gige Vision besitzt gegenüber allen anderen Standards entscheidende technische und ökonomische Vorteile und wird sich langfristig durchsetzen. Dies gilt insbesondere gegenüber dem Firewire Standard. USB wird dagegen bei Low-End Anwendungen und Camera Link bei High-End Anwendungen mit sehr großer Bandbreitenanforderung eine feste Nische finden.
Carey: Jede digitale Schnittstelle weist Vorteile aber auch Einschränkungen auf. Ich erwarte, dass Camera Link weiterhin eine starke Position einnehmen wird, weil die hier zur Verfügung stehenden Bandbreiten mit anderen digitalen Schnittstellen nicht erreichbar sind. Sensoren mit hoher Auflösung und Geschwindigkeit können über Gigabit Ethernet oder Firewire nicht effizient unterstützt werden. Bei Datenraten unter 100 Mbytes/s jedoch stellt Gige Vision aufgrund der Unterstützung von Genicam eine sehr geeignete Plattform dar, die durch große mögliche Kabellänge analoge Systeme ersetzen kann. Bei Firewire sehen wir mehr und mehr Kamerahersteller, die nun auch Gige Vision Varianten mit dem gleichen Sensor anbieten.
Crawford: Gige Vision bietet ähnliche Möglichkeiten wie 1394 und USB, wird diese Standards aber langfristig in gewissem Umfang aufgrund seiner besonders guten Leistung im Hinblick auf Datenraten, Kabellängen und Austauschbarkeit verdrängen. Die Stärken von Gige Vision machen den Standard zu einer verlockenden Option für viele Bildverarbeitungsanwendungen – auch wenn datenpaketbasierte Protokolle Bildschwankungen und Störungen bzgl. des Determinismus der Anwendung bringen können. Andererseits gibt es einige Marktsegmente, die hohe Bandbreiten ohne große Störungen erfordern. In diesen Fällen erfüllt Camera Link die Anforderungen. In nächster Zukunft werden deshalb Gige Vision und Camera Link nebeneinander bestehen bleiben.
Dierks: Camera Link hat den Vorteil, dass es mit bis zu 680 MByte/s deutlich mehr Bandbreite bereitstellt als Gige Vision (~100 MByte/s) oder Firewire (~63 MByte/s). Problematisch sind teuere Framegrabber und die umständliche Parametrierung. Firewire ist besonders für Echtzeit-Anwendungen mit mehreren Kameras geeignet, die relativ geringe Kabellänge von 4,5 bis 10 m lässt sich nur mit Repeatern verlängern. Gige Vision kombiniert lange Kabel (bis zu 100 m), hohe Bandbreite und – dank Genicam – einfache Handhabung. Da Ethernet im Gegensatz zu Firewire aber keinen eingebauten Echtzeit-Support hat, muss dieser von Gige Vision emuliert werden. Die dabei anfallenden Parameter müssen durch den Kunden justiert werden, was insbesondere beim Anschluss mehrerer Kameras über einen Switch ein gewisses Maß an technischem Wissen erfordert; Firewire ist deutlich einfacher zu handhaben.
Diezemann: Zuerst sollte zwischen Gige Vision und Gigabit Ethernet unterschieden werden. Gige Vision ist kein Interface, sondern beschreibt lediglich das Protokoll einer Gigabit Ethernet Kamera. Das Gige Vision Protokoll ist in erster Linie eine Erleichterung für Kamerahersteller bei der Entwicklung neuer Modelle, für den Kunden bietet es – alleine betrachtet – keinen Nutzen. IDS setzt bewusst nicht auf Gige Vision, wir sehen aber eine große Zukunft für Gigabit Ethernet in der Bildverarbeitung, denn es bietet viele technische Vorteile wie Kabellänge und Geschwindigkeit. Gigabit Ethernet wird ein ernstzunehmender Konkurrent für Camera Link in der Base Konfiguration werden, da hier die Kosten für den Framegrabber entfallen. Firewire wird es zunehmend schwieriger haben, da Gigabit Ethernet im PC Bereich eher als Interface vertreten sein wird. Die USB ist für uns daneben immer noch die Lösung mit dem besten Preis/Leistungsverhältnis für Anwendungen, die mit wenigen Kameras und/oder klassischen Bildwiederholraten auskommen.
Hoog: Jede Schnittstelle hat applikationsentscheidene Vorteile. Gige Vision macht es einfach, Kameras in bestehende Netzwerke zu integrieren und lange Distanzen zwischen Sensor und Rechner zu überbrücken. Durch diese Eigenschaften kann die Bildverarbeitung Einzug in neue Märkte erhalten. Aber solange Gige Vision nicht die Busbandbreite von Camera Link und die Erfahrung von IEEE-1394 (Firewire) vorweisen kann, wird Gige Vision bestehende Technologien erst einmal ergänzen. Eine der Grundphilosophien von National Instruments ist es, alle anwenderrelevanten Busse möglichst nahtlos in die Entwicklungsumgebung Labview zu integrieren. Daher werden wir auch in Zukunft alle Schnittstellen unterstützen
Rauscher: Zweifellos bietet Gige Vision viele Vorteile für ein großes Spektrum an unterschiedlichen Anwendungen. Im Mid-Range und Low-End Bereich mit nicht allzu hohen Anforderungen an Datenvolumen und Transfergeschwindigkeit wird Gige Vision mit Sicherheit große Marktanteile gewinnen und langfristig analoge Kameras, Firewire und USB zurückdrängen. Der High-End Bereich wird jedoch noch eine lange Zeit von Camera Link besetzt sein, da hier der Datendurchsatz bereits heute bis zu 680 MByte/s reicht – ein Muss für viele schnelle Anwendungen mit Zeilenkameras oder mehreren Kameras. Um von den anwendungsspezifischen Vorteilen der unterschiedlichen Interfaces dennoch weiterhin zu profitieren, bieten hardware-unabhängige Softwarepakte wie die Matrox Imaging Library (MIL) eine komfortable Abstraktionsschicht und eine einheitliche API unabhängig von der eingesetzten Kamera-Schnittstelle.
Schmidt: Die heute dominierenden Schnittstellen wie Firewire und Camera Link werden auch zukünftig präsent sein. Durch einen Performanceschub steht dem Kunden mit Firewire „b“ jetzt noch mehr Leistungsfähigkeit in Bezug auf die erreichbare Bandbreite zur Verfügung. Camera Link wird weiterhin in schnellen Kamerasystemen mit sehr hohen Datenraten zum Einsatz kommen. Letztlich wird die Akzeptanz von Gige dadurch bestimmt, wie sich die Vorteile dieser Schnittstelle (hohe Bandbreite, große Übertragungsentfernungen, flexible Netzwerkfähigkeit) durch optimale Treiberarchitekturen in anspruchsvollen, industriellen Applikationen nutzen lassen. Baumer bietet daher eigene Treiber (Sockel-, Filter- und zukünftig Turbotreiber), um eine zuverlässige Systemperformance zu gewährleisten.
Stelz: Jede Technologie hat ihre individuellen Stärken, und Gige Vision ist nicht die einzige Antwort auf alle Fragen. Insofern ist die Entscheidung für eine Technologie von der Aufgabenstellung in der jeweiligen Applikationen und von der Auswahl der verfügbaren Produkte abhängig. So ist die Bandbreite, die Camera Link heute bietet, unübertroffen, zumindest so lange, bis wir 10Gige-fähige Produkte auf dem Markt haben. Bis dahin gibt es dann wahrscheinlich auch die nächste Version von Camera Link. Auch die anderen Technologien haben ihren Markt. Sicher wird Gige Vision bis zu einem gewissen Maß Marktanteile von diesen Technologien übernehmen, ich glaube aber nicht, dass sie komplett verdrängt werden. Wir bauen darauf, dass die neuen technischen Merkmale von Gigabit Ethernet neue Märkte erschließen und somit den Markt verbreitern.
eA: Der Genicam-Standard verspricht eine einfache Austauschbarkeit von Bildverarbeitungs-Komponenten. Kritiker wenden dagegen ein, dass nicht alle Funktionen unterstützt bzw. dass Innovationen nicht schnell genug aufgenommen werden können. Wo liegen Ihrer Meinung nach die Vor- und Nachteile?
Arzt: Die Kritik trifft nicht nur auf Genicam, sondern im Grunde auf jeden Standard zu. Der Standardisierungsprozess benötigt seine Zeit, wie wir bei der Definition von Gige Vision und Genicam gesehen haben. Diese Verzögerung ist der Grund, dass ein Standard nicht den letzten technischen Stand widerspiegelt und daher auch nicht alle Funktionen unterstützt. Dieser Nachteil wird jedoch von den Vorteilen aufgewogen: Fest definierte Standards sind eine notwendige Voraussetzung für offene Systeme, in denen sich die jeweils besten Komponenten zum optimalen Gesamtsystem kombinieren lassen.
Carey: Genicam ist sicherlich hilfreich bei der Systemvernetzung, weil dieser Standard eine geeignete Umgebung schafft, um Bildverarbeitungsapplikationen zu erstellen und die Migration von Kameras erleichtern kann. Darüber hinaus stellt Genicam eine standardisierte API bereit, um eine kontrollierte Bilderfassung zu ermöglichen – ein innovatives Bestreben. Jedoch wird über diesen Ansatz eine bestimmte Architekur erzwungen, die nicht für alle Applikationen geeignet ist. Für das Komitee stellt die schnelle Umsetzung von Anforderungen eine große Herausforderung dar, da dieser Prozess von den Mitgliedern gemeinsam beraten und letztlich verabschiedet werden muss.
Crawford: Der Genicam-Standard erlaubt den Kameraherstellern, sowohl standardmäßige als auch kundenspezifische Merkmale in ihre Produkte einzubinden. Technologische Neuerungen werden durch Genicam nicht beschränkt und Anbieter können diese neuen Technologien ihren Kunden empfehlen, wobei der Kunde jedoch verstehen muss, dass bei einer frühen Einführung die Austauschbarkeit der Komponenten begrenzt sein kann, solange bis die neuen Merkmale in den Standard eingebunden wurden.
Dierks: Genicam schränkt die Features einer Kamera in keiner Weise ein. Im Gegenteil: Genicam ist entstanden, weil Kamerastandards mit einem festen Set an Features wie der 1394 DCAM Standard nicht flexibel genug waren, und man einen Weg suchte, auf dem jeder Kamerahersteller jederzeit neue Features zu seiner Kamera hinzufügen kann, die sofort unter allen Bildverar-beitungsbibliotheken verfügbar sein sollten. Genau das leistet Genicam. Zusätzlich zu Genicam gibt es noch eine optionale Standard-Feature-Liste, die für rund 180 Features ein Best-Practice-Interface definiert. Genicam wird von allen Gige Vision konformen Kameras sowie den meisten großen Bildverarbeitungsbibliotheken unterstützt, hat also inzwischen eine sehr hohe Verbreitung.
Diezemann: Ein einheitlicher Standard war längst überfällig. Mit Directshow und DCAM, die letztendlich nur den kleinsten gemeinsamen Nenner darstellen, hat der Markt seine Erfahrungen gemacht. Jeder Hersteller hat schlussendlich sein eigenes SDK mitgeliefert und der Kunde musste sich dadurch doch wieder fest binden. Das SDK Modell für den direkten Hardwarezugriff bietet die höchst mögliche Performance, bedeutet aber für die Kamerahersteller und Kunden einen nicht unerheblichen Aufwand bei Anpassungen, neuen Kameramodellen oder Kamerawechsel. Für Kunden die selbst programmieren bietet Genicam Investitionssicherheit.
Hoog: Genicam ist ein sehr guter Ansatz für eine Standardisierung. Durch ihn erhalten wir eine unabhängige Soft- und Hardwareschnittstelle, welche Entwicklungszeiten kürzen und -kosten senken soll. Sonderlösungen sind nicht zu vermeiden und es wird sie immer geben. Wenn wir aber mit Genicam einen Standard erhalten, der für die häufigsten Anwendungen kompatibel ist, ist dies ein großer Schritt in die richtige Richtung.
Rauscher: Derzeit definiert Genicam nur ein absolutes Minimum an für alle Hersteller verpflichtenden Features. Allerdings ist der Standard offen für herstellerspezifische Erweiterungen, womit die nötige Flexibilität erreicht wird.
Schmidt: Die Austauschbarkeit wird für den Anwender durch die Generik einfacher und unkomplizierter sein, solange man die im Standard definierten Funktionen verwendet. Der Kunde kann einfacher eine Software, die er benötigt, mit einer Kamera kombinieren, die seinen Anforderungen entspricht. Ist die Applikation mit den standardisierten Funktionen lösbar, wird er einen zeitlichen Vorteil bei der Umsetzung der Aufgabe haben. Bei speziellen Sonderfunktionen und technischen Neuerungen, die noch nicht im Standard verankert sind, wird die Praxis zeigen, wie schnell ein neues Feature in den Standard aufgenommen werden kann und damit verfügbar wird.
Stelz: Zunächst halte ich es für zu hoch gegriffen, einen Standard zu fordern, der jede auch noch so individuelle technische Eigenschaft unterstützt. Ziel einer solchen Bemühung muss immer die 95%-Lösung sein. Individuellen Lösungen steht nach wie vor nichts im Weg. Auf der anderen Seite ist Genicam mit dem Ziel entwickelt worden, Fehler oder Einschränkungen, die wir aus anderen Standards kennen, aufzuheben und so weiter zu gehen, als wir in der Vergangenheit waren. Ich denke, dass wir mit Genicam einen sehr großen Schritt gegangen sind hin zu einer leichteren Integrierbarkeit von Machine Vision-Kameras in Applikationen, hin zu kürzeren Designzyklen, kurz hin zu einem Software-Standard, wie wir ihn bis dato in der industriellen Bildverarbeitung noch nicht hatten.
eA: Wird durch Gige Vision und Genicam nun endlich eine Standardisierung in der Bildverarbeitung erreicht, sodass der Anwender sich nun zukünftig nicht mehr mit der Schnittstellenfrage auseinandersetzen muss und wirklich herstellerunabhängig Soft- und Hardware kombinieren kann?
Arzt: Ein weiterer Vorteil von offenen Systemen mit standardisierten Schnittstellen ist Wiederverwendbarkeit von Komponenten über Systemgrenzen hinweg. Dies ermöglicht Anwendern, die Investitionen in die Entwicklung von Bildverarbeitungslösungen über einen längeren Zeitraum abzuschreiben. Dieser kalkulatorische Vorteil und die verbesserte Einkaufsposition durch die Austauschbarkeit der Komponenten unterschiedlicher Hersteller werden viele Endanwender davon überzeugen, lange aufgeschobene Investitionen in Bildverarbeitung nun zu tätigen. Somit leisten Gige Vision und Genicam einen wichtigen Beitrag dazu, das immense Wachstumspotenzial der Bildverarbeitung in der Automation zu erschließen.
Carey: Bei Unterstützung der Standardisierungsbemühungen durch die AIA and EMVA spiegeln Gige Vision and Genicam einen neuen Trend in der Bildverarbeitung wider. Diese Bemühungen vereinfachen die Systemvernetzung enorm. Aber jede Spezifikation kann Beschränkungen mit sich bringen und es werden nicht alle Anwendungen abdeckt. So wird Camera Link zur Zeit nicht von Genicam unterstützt. Folglich ist es sehr wichtig, die passende digitale Schnittstelle auszuwählen. Eine pauschale Antwort gibt es zu diesem Auswahlprozess leider nicht. Aber sobald Gigabit Ethernet eine ausreichende Geschwindigkeit bietet, ist die Kombination Gige Vison und Genicam eine sehr gute Lösung mit dem Zusatznutzen, dass das Zusammenspiel der Software der verschiedenen Kamerahersteller möglich wird – dank der Genicam XML Datei!
Crawford: Genicam stellt sicher, dass sich alle Anbieter auf gleicher Höhe hinsichtlich Terminologie und Funktionalität befinden. In der Vergangenheit war die „Belichtungszeit“ eines Anbieters die „Integrationszeit“ des anderen, was die Integration der Komponenten verkomplizierte. Die XML-Datei in Genicam dient als maschinenlesbare Gebrauchsanleitung, die Host-Interface und Software befähigen, sich automatisch zu konfigurieren. Obwohl die Selbstkonfiguration den Integrationsvorgang vereinfacht hat, müssen Systemdesigner trotzdem noch beachten, dass die verschiedenen Interfaces die Anwendung mit Kabellängen, Bandbreiten oder verschiedenen Spezifikationen für elektrische Isolierung oder Toleranzen für Störungen beeinflussen können.
Dierks: Wir hoffen es. Bei Basler sorgen wir jedenfalls dafür, dass unsere Kunden auf die von uns unterstützten Interfaces Gige Vision, Firewire und Camera Link unter einer einheitlichen Genicam-basierten API zugreifen können, sodass der Wechsel zwischen den Schnittstellen leicht fällt. Unser Ziel ist es, den Kunden immer das Interface anbieten zu können, dass für ihre Anwendung am besten geeignet ist, und mit Hilfe der neuen Techniken ist dies jetzt auch möglich geworden.
Diezemann: Für den Anwender ist nur das Genicam Interface relevant. Die Applikation kommuniziert über dieses Interface mit der Bildeinzugshardware. Welche Schnittstellentechnologie sich unterhalb des Genicam Interfaces befindet wird künftig nur teilweise von der Technologie bestimmt. Spielen Kabellänge oder hohe Bildwiederholraten keine Rolle kann der Kunde künftig auch auf günstigere Technologien ausweichen. Das Genicam Interface hat eine große Zukunft, wenn es für den Anwender einfach zu bedienen, fehlerfrei und performant ist und von allen wichtigen Herstellern auf der Applikationsseite unterstützt wird. Dann ist unserer Meinung nach der Erfolg vorhersehbar.
Hoog: Genicam schafft eine hohen Grad an Modularität, und der Software-Entwickler ist in der Lage, schnittstellenunabhängig zu arbeiten. Solange aber Gige Vision die anderen Schnittstellen nicht ersetzen wird, muss sich der Projektverantwortliche auch weiterhin mit den verschiedenen Kameraschnittstellen bei der Systemauslegung auseinandersetzen.
Rauscher: Sicherlich sind Gige Vision und Genicam ein großer Schritt in Richtung Standardisierung. Allerdings liefern bereits heute alle Kamerahersteller Ihre eigenen Gige Vision SDKs, die in der Regel nicht mit Kameras anderer Hersteller kompatibel sind. Die Möglichkeit, Hardware-Produkte hersteller-unabhängig zu kombinieren ist in großem Maße von der zugrunde liegenden Software abhängig. Ein Ausweg hierzu sind „neutrale“ Softwareprodukte wie die MIL, die sowohl alle Hardware-Interfaces (analog, digital, Camera Link, IEEE 1394) als auch alle Gige Vision Kameras unterstützt.
Schmidt: Unabhängig von der Standardisierung muss der Kunde auch zukünftig die geeignete Schnittstelle für die zu lösende Aufgabe auswählen. Gige Vision und Genicam harmonisieren das Interworking verschiedener Komponenten untereinander, sind aber noch kein Garant für hohe Performance. Eine Vielfalt von Komponenten am Markt hat einerseits für den Anwender den Vorteil, frei auswählen zu können, andererseits besteht jedoch die Gefahr der Inkompatibilität. Auch hier wird die Praxis zeigen, ob alle Komponenten ohne Einschränkungen miteinander kombinierbar sind und wie sich der Standard erfolgreich durchsetzen wird. Grundsätzlich ist zukünftig eine Vereinfachung der Integration und Komponentenauswahl zu erwarten.
Stelz: Genau das ist das Ziel. Wir sprechen hier über eine neue Technologie, die erst am Anfang ihrer Entfaltung steht. Und Genicam ist auch nicht in der Lage, Unterschiede in der eingesetzten Hardware einfach so zu egalisieren. Aber wir zeigen einen Weg auf, wie wir in der industriellen Bildverarbeitung eine gemeinsame Basis schaffen und den Wechsel zwischen Komponenten verschiedener Hersteller deutlich vereinfachen können.
Basler eA 437
Baumer Optronic eA 438
Dalsa eA 439
IDS eA 440
Matrox eA 441
National Instruments eA 442
Rauscher eA 443
Stemmer eA 444
Videor Technical eA 445

eA-INFO-TIPP
Ziel des Genicam-Standards ist es, einen einheitlichen Software-Zugriff auf Kameras zu gewährleisetn, unabhängig vom Modell und der Schnittstelle. Weitere Informationen zu dem Standard finden Sie auf folgender Website der EMVA:

Ziel des Genicam-Standards ist es, einen einheitlichen Software-Zugriff auf Kameras zu gewährleisetn, unabhängig vom Modell und der Schnittstelle. Weitere Informationen zu dem Standard finden Sie auf folgender Website der EMVA: www.genicam.org
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