Im Zeitalter von Mobilfunk-, Bluetooth- und WiFi-Übertragungstechnik sind kompakte und kabellose Geräte gefragter denn je. Mit Hilfe von USB3-Vision Kameralösungen können auch komplexe Multikamera-Vision-Systeme mit möglichst wenig Kabeln und damit unkompliziert und kostengünstig realisiert werden.

Multikamera-Vision-Systeme sind heute fester Bestandteil unzähliger Anwendungen wie 3D-Messverfahren, Bewegungsanalysen, Crashtests, um nur einen Bruchteil zu nennen. Eine wichtige Aufgabe solcher Vision-Systeme ist es, die Szene im Augenblick des Geschehens von allen im System beteiligten Kameras gleichzeitig festzuhalten. Hierfür müssen die Kameras miteinander synchronisiert werden. So wird für jede Kamera ein zusätzliches Kabel nötig, über das bei analogen Kameras ein Sync-Signal und bei digitalen ein Hardware-Triggersignal eingespeist wird. Je mehr Kameras im System benötigt werden, desto komplexer und teurer gestaltet sich meist der Systemaufbau. USB3-Vision Kameras bieten diverse Möglichkeiten zur Einsparung systemrelevanter Kabel.

USB3-Vision und Isochronous Timestamp Packet (ITP)
Die USB3.0-Schnittstelle bringt von Haus aus viele Vorteile mit sich, u.a. eine hohe Übertragungsbandbreite (bis 400 Mbyte/s), eine reduzierte Prozessorauslastung, einen relativ niedrigen Energieverbrauch, einen kleinen und schraubgesicherten Stecker sowie ein günstiges Standardkabel, das für die Datenübertragung, Gerätesteuerung und Spannungsversorgung verwendet werden kann. Bei der Kommunikation zwischen USB-Gerät und Host werden ähnlich wie bei USB2.0 die Datenströme, Statusinformationen und Steuerungsbefehle über Datenpakete übermittelt. Die USB3.0-Schnittstelle stellt neben den „Transaction Packet" (TP) und „Data Packet" (DP) noch zwei weitere Datenpakete bereit, die viele neue Möglichkeiten eröffnen: das „Link Management Packet" (LMP) und das „Isochronous Timestamp Packet" (nachfolgend ITP genannt).
Beim ITP sendet der Host periodisch, etwa alle 200 Nanosekunden, isochron einen Zeitstempel („Timestamp") an alle aktiven USB-Geräte, die mit demselben Host-Controller verbunden sind. Dieser Zeitstempel wird von den USB3-Vision Kameras als Taktgeber für die Synchronisation genutzt, was zeitgleiche Aufnahmen möglich macht. Der durchschnittliche Zeitversatz zwischen den Aufnahmen beträgt circa 200 bis 300 ns. Werden die Kameras über einen Hub angeschlossen, erhöht sich der Zeitversatz zwischen den Aufnahmen um weitere 200 ns.

Beispiel 1:
4 Kameras ==> USB3.0 Hub1 ==> PC1
4 Kameras ==> USB3.0 Hub2 ==> PC1
==> Maximaler Zeitversatz zwischen den Aufnahmen sind 400 bis 600 ns
Beispiel 2:
1 Kamera ==> PC1
2 Kameras ==> USB3.0 Hub1 ==> USB3.0 Hub3 ==> PC1
3 Kameras ==> USB3.0 Hub2 ==> USB3.0 Hub3 ==> PC1
==> Maximaler Zeitversatz zwischen den Aufnahmen sind 600 bis 900 ns

So bieten mit ITP ausgestattete USB3- Vision Kameras eine weitere Möglichkeit bei der Kamerasynchronisation Kabel einzusparen: Bilddaten, Kamerasteuerung, Spannungsversorgung und jetzt auch Synchronisation erfolgen über ein einziges Kabel. Die Vorteile dieser Lösung liegen für den Anwender auf der Hand: durch die reduzierte Kabelmenge minimieren sich die Kosten und Aufwände für Beschaffung und Verlegung sowie für Wartung und Fehlerdetektion, verbunden mit einer minimierten Fehleranfälligkeit und einer signifikanten Platzersparnis des Gesamtsystems. Für viele Anwendungen sind auf dem Markt bereits kostengünstige Kabel mit Längen von bis zu acht Metern verfügbar, die mit passiven Elementen sehr gute Übertragungsqualitäten bieten. Für besonders weite Übertragungsstrecken sind Kabel mit aktiven Elementen erhältlich.

Patentierte Bus-Synchronisation
Die ITP-Technologie hat Toshiba Teli bei ihren neuen USB3-Vision Kameraserien in eine sogenannte „Bus-Synchronisation"-Funktion implementiert und zum Patent angemeldet. Um diese und weitere Vorteile der USB3-Technologie optimal nutzen zu können und eine Echtzeitverarbeitung zu ermöglichen, wurde ein eigenes USB3-Hardware-IP-Core entwickelt, das laut internen Tests bis 100-fach schneller ist als andere USB3-Vision Lösungen mit All-in-One-USB-Chip - schneller beispielsweise im Hinblick auf das Lesen und Schreiben von Kameraregistern oder Ausführen von Software-Triggern.
Bei einem mittels Bus-Synchronisation realisierten Multi-Kamera-System müssen alle Kameras mit demselben Host-Controller verbunden sein. Deshalb sollten bei der Konzeption stets die maximale Übertragungsrate des USB3-Vision Standards von ca. 400 MByte/s sowie Anzahl, Auflösungen und Frameraten der beteiligten Kameras berücksichtigt werden. So produziert beispielsweise eine 4-MPixel-Kamera mit 90 fps Framerate und 8-bit Pixelauflösung rund 360 MByte in der Sekunde. Will man eine zweite Kamera verwenden, muss die Framerate dann halbiert, in diesem Fall auf 45 fps gesenkt werden. Unterscheiden sich die angeschlossenen Kameras hinsichtlich Pixelauflösung und Frameraten, sollte bedacht werden, dass sich die Framerate der Gesamtlösung stets auf die Bildfrequenz der langsamsten Kamera im System beschränkt. Nimmt man beispielsweise eine VGA-Kamera mit 125 fps Framerate (BU030) und eine SXGA-Kamera mit 30 fps (BU130) werden beide Kameras mit 30 fps synchronisiert. Sind die Kameras mit unterschiedlichen Belichtungszeiten eingestellt, ist zu beachten, dass die Belichtung aller Kameras im gleichen Augenblick endet (siehe Abbildung).

Kabelersparnis durch Event Notification
Ein weiterer Vorteil des Toshiba Teli IP-Cores ist die „Event Notification"-Funktionalität, welche Nachrichten über Kamerastati und -events mit nur einigen Mikrosekunden Verzögerung an den Host übermittelt. So lassen sich noch mehr Kabel einsparen. Soll für eine exakte Maschinensteuerung beispielsweise ein bestimmter Kamerazustand übermittelt werden, so werden in der Regel GPIO-Ausgänge der Kamera verwendet, was für jede Kamera zwei zusätzliche Kabel notwendig macht: das Trigger-In- und das GP-Out-Kabel. Mit der Event Notification entfallen diese beiden Kabel.

Mit USB3-Vision Kameras in die Zukunft
Die Anforderungen an Industriekameras hinsichtlich Sensorauflösung, Framerate, Skalierbarkeit und Komplexität könnten vielfältiger nicht sein. Deshalb werden sich auf Dauer nur jene Kamera- und Schnittstellentechnologien behaupten, die diesen Ansprüchen in besonderem Maße gerecht werden. Angesichts ihrer Bandbreite, Geschwindigkeit und Echtzeitfähigkeit dürfte die USB3.0-Schnittstelle mit Sicherheit schnell an Bedeutung gewinnen. Wie im Beitrag dargestellt, können sich einige USB3-Vision Kameras von der Masse abheben, indem sie den Anwendern die zahlreichen Vorteile von USB3.0 besonders gut erschließen.