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Kamera-Interfaces der nächsten Generation im Überblick

Der folgende Artikel bietet einen Überblick und Vergleich der Ethernet-, USB-, Camera Link- und CoaXPress-Standards der nächsten Generation. Zudem stellt er Thunderbolt3 vor.

Bild 1 | Welche Kennzahlen bieten Vision Interfaces der nächsten Generation wie 10GigE, USB3.2, Thunderbolt3, Camera Link HS oder CoaXPress 2.0 (v.l.n.r.)? (Bild: Flir Systems, Inc.)

10GigE

Im Jahr 2016 besaßen die Hälfte aller verkauften Bildverarbeitungskameras eine Gigabit-Ethernet (GigE) Schnittstelle. Die höhere Geschwindigkeit und niedrigere Latenz von 10GigE basieren auf den Stärken von GigE. Mit einer Bandbreite von 10Gbit/s kann z.B. eine Flir Oryx 10GigE-Kamera ein unkomprimiertes 12bit 4K-Video mit 60fps über kostengünstige, überall erhältliche Kabel über eine Strecke von 60m übertragen. Die von der Kamera unterstützte 10Gbase-T-Implementierung des 10GigE verwendet einen RJ45-Anschluss und klassische Twisted-Pair-Kupferkabel. 10GigE ist in der Infrastruktur von IT-Netzwerken weit verbreitet. Dank der Unterstützung durch Unternehmen wie Apple und Asus gewinnt es im Massenmarkt rasch an Bedeutung. Die weit verbreitete Verwendung von 10GigE hat eine breite Palette an verschiedensten kostengünstigen und leistungsfähigen Produkten hervorgebracht. Eine überarbeitete Version des Power-over-Ethernet (PoE)-Standards wurde bereits eingeführt. Der Standard IEEE 802.3bt ermöglicht PoE über 10-Gigabit-Links, obwohl 10GigE mit PoE noch nicht weit verbreitet ist. Derzeit sind allerdings noch keine 10GigE Kamera mit PoE erhältlich. Die 10Gbase-T-Schnittstelle in den Flir Oryx Kameras unterstützt das IEEE1588 Precision Time Protocol (PTP), wodurch mehrere Kameras ihre internen Uhren automatisch untereinander und mit anderer Ethernet-fähiger Hardware automatisch synchronisieren können.

Tabelle 1 | Zeitliche Abfolge der USB-Standards und ihre Bandbreite im Vergleich. (Bild: Flir Systems, Inc.)

USB3.2

USB3.2 verwendet beide Kontakt-Reihen des symmetrischen USB Typ-C-Steckers, um zwei USB3.1-Links parallel zu unterstützen und dadurch Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 20Gbit/s zu ermöglichen. Die Unterschiede zwischen Generation 1 und 2, die durch den Übergang von USB3.0 auf USB3.1 eingeführt wurden, bleiben auch bei USB3.2 bestehen. In Generation 2 wird die Übertragungsrate von 5 auf 10Gbit/s verdoppelt, während die in Generation 1 verwendete 8/10b-Kodierung durch die effizientere 128/132b-Kodierung ersetzt wird. Diese Reduzierung des Kodierungs-Overheads bedeutet, dass Links der Generation 2 unter realen Bedingungen effektive Übertragungsgeschwindigkeiten unterstützen, die viel näher an die nominale Übertragungsrate herankommen. Links der Generation 1 bieten einen Durchsatz unter realen Bedingungen von 4Gbit/s, während Links der Generation 2 bis zu 9,7Gbit/s unterstützen. Die maximale Kabellänge von Links der Generation 1 beträgt 5m. Links der Generation 2 sind aktuell auf 1m beschränkt. Die kurze Kabellänge von USB3.2 der Generation 2 ist ein Faktor, der die allgemeine Verbreitung der Technologie behindert, solange keine erschwinglichen aktiven optischen Kabel erhältlich sind. Die Kombination von USB-Lane-Nummern und Generationen kann bei den Anwendern für Verwirrung sorgen. Eine USB3.2-Schnittstelle ist nicht unbedingt schneller als USB3.1. Selbst wenn man die weniger effiziente Kodierung von USB3.1 der Generation 1 verdoppelt würde, ist sie immer noch 20 Prozent langsamer als eine Verbindung mit USB3.1 der Generation 2. Die Unterschiede hinsichtlich der maximalen Kabellänge bei jeder einzelnen Generation dienen dazu, dass Benutzer für die jeweilige Generation ihrer Schnittstelle ein Kabel mit geeigneter Länge auswählen. USB unterstützt den Direct Memory Access (DMA). Dadurch können die Bilddaten von einer Kamera direkt in den Systemspeicher geschrieben werden. Dies ist eine optimale Funktion für eingebettete Anwendungen mit begrenzter Speicherbandbreite und CPU-Leistung.

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