Gro?e Distanzen in Echtzeit

Camera Link HS mit faseroptischen Komponenten

Faseroptische Kameras und Framegrabber, die den Schnittstellen-Standard Camera Link HS (CLHS) mit Glasfasern unterst?tzen, sind noch rar, dr?ngen aber immer mehr auf den Markt. Dabei sind Lichtwellenleiter heute konkurrenzf?hig, kosteng?nstig, leicht sowie ausreichend robust und erlauben den Einsatz wesentlich l?ngerer Kabel als bei Kupferleitern. Einziger Glasfaser-Standard f?r die Bildverarbeitung ist bislang das X-Protokoll f?r CLHS. Aber USB 3.1 und vielleicht auch CoaXPress stehen schon in den Startl?chern.

Die pco.edge zeichnet sich durch die hohe Dynamik von bis zu 16Bit pro Pixel aus und erm?glicht eine ?bertragung mittels CLHS ?ber weite Distanzen ohne Qualit?tsverlust (Bild: PCO AG)

Die pco.edge zeichnet sich durch die hohe Dynamik von bis zu 16Bit pro Pixel aus und erm?glicht eine ?bertragung mittels CLHS ?ber weite Distanzen ohne Qualit?tsverlust (Bild: PCO AG)


Der CLHS-Standard mit optischen Glasfaserkabeln kommt den Anforderungen an eine immer h?here Bandbreite f?r leistungsst?rkere Kameras und Sensoren nach. CLHS unterst?tzt per 10 Gigabit die Paket?bertragung von Bild- bzw. Videodaten zusammen mit zus?tzlichen Informationen wie Kameratrigger und -kontrolle sowie GPIO-Informationen (General Purpose Input/Output) in einem einzelnen Kanal (Link) – und das bei geringen Latenzen und hoher Zuverl?ssigkeit. Dies erlaubt es, beispielsweise Zeilenkameras mit hohen Trigger-Frequenzen besser einzusetzen. CLHS erm?glicht kameraseitig bis zu acht Ports mit jeweils 10GBit/s Datenrate. Dadurch l?sst sich eine maximale Datenrate von 80Bit/s oder 10GByte/s f?r eine CLHS-Kamera erreichen, wobei die Bilddaten zwischen den Ports auf drei verschiedene Arten (vertikale Streifen, Zeilen und region of interest) ?bermittelt werden. Mit CLHS ist die Synchronisierung von Bilddaten ?ber mehrere Framegrabber (selbst in verschiedenen Hostsystemen) m?glich. Zun?chst einmal wird die Kamera durch eine Discovery allen Hostsystemen bekannt gemacht. Im Gegensatz zu Camera Link wird die Bildaufnahme aber durch Kommandos gesteuert. Zus?tzlich dazu ist durch ein Bit in den Metadaten der Videopakete (MultiFGSync Bit) ein Abgleich zwischen Framegrabbern m?glich. CLHS-Pakete werden durch einen CRC (cyclic redundancy check) gesichert. Das X-Protokoll von CLHS (Glasfaser?bertragung) bietet zus?tzlich die M?glichkeit, Bitfehler durch eine Forward Error Correction (FEC) zu korrigieren. Falls dennoch defekte Command-Pakete auftreten, werden diese f?r zus?tzliche Sicherheit bei der Kommunikation bis zu zehnmal wiederholt. Die Glasfaserkabel lassen sich ?ber handels?bliche SFP+-Konnektoren (small form-factor pluggable) anschlie?en, welche die Umwandlung von Lichtimpulsen in elektrische Signale und andersherum erlauben und in der Netzwerktechnik bereits weite Verbreitung finden. Selbst bei ?ber 10km Entfernung sind noch ?bertragungsraten von 10GBit/s zu erzielen.

Anspruchsvollste Anwendungen

Gro?e Distanzen zu ?berbr?cken und dabei Echtzeit-Anforderungen einzuhalten: Dies pr?destiniert Glasfaser f?r anspruchsvolle Anwendungen mit hoher Bandbreite zum Beispiel im Sport oder der Verkehrs?berwachung. Animierte R?ckblenden und Zeitraffer bei gr??ter Farbtreue, Aufl?sung und Framerate beispielsweise erfordern eine sehr hohe ?bertragungsrate. 360?-Aufnahmen mit extrem hoher Aufl?sung k?nnen ?ber ein einzelnes System nicht mehr dargestellt werden, sodass eine Synchronisation mehrerer Framegrabber ben?tigt wird. F?r die Realisierung solcher anspruchsvollen Projekte kooperieren Hersteller von Framegrabbern, wie Silicon Software, und Kameras, wie PCO, eng miteinander. Die Lichtwellenleiter haben neben dem Einsatz f?r gro?e Leitungsl?ngen aber auch noch ihren physikalischen Vorteil. Die optische Bild?bertragung ist praktisch st?rungsfrei von jeglichen Einfl?ssen durch Potentialfelder, die im Produktionsbereich auftreten k?nnen. Zudem k?nnen die leichten und flexiblen Kabel durch kleine Biegeradien und hohe Elastizit?t einfach verbaut werden und durch ihre Schleppkettenf?higkeit auch in dynamischen Systemen und Robotern eingesetzt werden.

Kooperation mit PCO

Die zwei Kameramodelle pco.flow und pco.edge von PCO sind f?r CLHS erh?ltlich. Die pco.flow schafft bei einer Bildgr??e von 12MP bis zu 300fps bei 10Bit Pixelaufl?sung. Somit entsteht eine gesamte Bandbreite von etwa 4.800MByte/s. Die notwendige Performanz der Daten?bertragung wird ?ber vier CLHS-Kan?le erm?glicht. Die pco.edge zeichnet sich durch die hohe Dynamik von bis zu 16Bit pro Pixel aus. Bei Verwendung von CLHS anstatt von Camera Link sind h?here Bandbreiten, aber auch flexiblere Aufbauten m?glich. Silicon Software hat seine marathon-Framegrabberserie f?r den CLHS-Standard erweitert und bringt mit der mE5 marathon AF2 und VF2 zwei zweikanalige Framegrabber auf den Markt. Mit der programmierbaren VF2 kann auch unter CLHS die Bildverarbeitung an kundenspezifische Anforderungen angepasst werden. Hierf?r lassen sich mit Visual Applets grafische Datenflussmodelle designen, die auf den FPGA des Framegrabbers geladen und in Echtzeit ohne Belastung der CPU ausgef?hrt werden. Der amerikanische Bildverarbeitungsverband AIA arbeitet bereits an der Erweiterung der CLHS-Spezifikation und plant die Revision 2.0 als n?chsten Schritt zu ver?ffentlichen. Mit dieser wird es m?glich sein, Bilder Buffern zuzuordnen, um multiple ROIs (regions of interest) in einem Frame zu ?bertragen. Durch eine Messung der ?bertragungslatenz kann sowohl die Kabell?nge beliebig gew?hlt als auch sichergestellt werden, dass Trigger selbst bei verschiedenen Kabell?ngen zur gleichen Zeit ankommen. Quad-SFP-Konnektoren (QSFP) erreichen hierbei die Leistung von vier SFP+ Steckern, also eine ?bertragungsrate von 40GBit/s. n

Große Distanzen in Echtzeit
Bild: PCO AG


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