10 Gigabit Ethernet (10GigE) bereitet den Weg für die nächste Generation von Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung. 10GigE-Kameras liefern einen Durchsatz von 10 Gbit/Sek. über eine zuverlässige und weithin verfügbare Schnittstelle. Sie bauen somit auf die Stärken, die GigE zur vorherrschenden Schnittstelle für Machine Vision machen. Durch die Geschwindigkeit und Einfachheit von 10GigE haben Entwickler die Freiheit, eine neue Generation von maschinellen optischen Systemen mit mehreren Kameras zu konstruieren. In diesem Artikel finden Sie bewährte Vorgehensweisen für die Kombination mehrerer GigE- und 10GigE-Kameras in einem optischen System.

Einrichtung Ihres PCs für mehrere 10GigE-Kameras

Bei der Einrichtung eines Systems mit mehreren 10GigE-Kameras sind die Netzwerk-Schnittstellenkarte (Network Interface Card, NIC) und der Systemspeicher hostseitig die wichtigsten technischen Komponenten.

Die besten Netzwerk-Schnittstellenkarten im FLIR-Test

Die Bewertungen von FLIR haben ergeben, dass NICs auf Tehuti-Basis mit einer Marvel oder Aquantia Physical Layer (PHY) die zuverlässigste Leistung bieten. Damit NICs sicher die volle PCIe-Bandbreite zur Verfügung steht, müssen sie in Steckplätzen sitzen, die keine Bandbreite mit integrierten Peripheriegeräten, wie zum Beispiel USB-Anschlüssen oder Audiosystemen, teilen. Oft ist der Platz neben der CPU der am besten geeignete; ob dem so ist, können Sie in den Dokumenten des Motherboards nachsehen.

Systemspeicher – 10 Gbit/Sek. sind eine große Datenmenge

Bevor die CPU eingehende Bilddaten zur anwendungsspezifischen Verarbeitung bereitstellt, fügt sie Ethernet-Datenpakete zu Einzelbildern zusammen. Dieser Vorgang belegt nur ungefähr 1 % der Rechenleistung einer durchschnittlichen i7-CPU. Allerdings wird genügend Speicher benötigt, um die Kopiervorgänge zu unterstützen, mit denen Datenpakete in eine Reihenfolge gebracht und ihr Inhalt in den hostseitigen Bild-Zwischenspeicher gelesen werden. 10 Gbit/Sek. sind eine große Datenmenge, was eine hohe Speicherbandbreite erforderlich macht. Wir empfehlen DDR4-Speicher, der von modernen Intel- und AMD-CPUs unterstützt wird. Entscheidend ist eine Systemkonfiguration, die Zweikanalspeicher unterstützt.
Ein solcher Zweikanalspeicher ist einfach einzurichten. Anstelle eines einzelnen Speichermoduls mit der gewünschten Kapazität werden zwei Speichermodule mit der jeweils halben benötigten Kapazität in separate Speicherkanäle installiert. Alle modernen Motherboards unterstützen den Zweikanalspeicher, und viele hochwertige Platinen ermöglichen inzwischen sogar dreifachen Kanalspeicher. Empfehlenswert sind Intel i7-CPUs für Systeme, auf denen mehrere 10GigE-Kameras genutzt werden, weil sie eine höhere Speicherbandbreite unterstützen als i5-Prozessoren. Zwar belastet das Abrufen von Einzelbildern aus einer 10GigE-Kamera die CPU nicht besonders, doch möglicherweise erfordern die Machine-Vision-Anwendungen, die diese Daten bearbeiten, einen großen Teil der Rechenleistung der CPU oder GPU.

Streaming auf Speichermedium

Ein optisches System mit mehreren 10GigE-Kameras, das mit voller Geschwindigkeit läuft, generiert ein sehr hohes Datenvolumen. Bei Anwendungen, die eine große Anzahl von Einzelbildern auf ein Speichermedium speichern, werden NVMe Solid-State-Laufwerke (SSD) empfohlen, da diese im Vergleich zur Speicherung mit SATA III-Technologie eine sieben Mal höhere Datenraten unterstützen. Die Samsung 970 Pro ist die schnellste im Handel erhältliche SSD mit 1 TB Kapazität. Für zwei oder mehr 10GigE Oryx-Kameras von Flir bei voller Geschwindigkeit ist ein RAID-Array von NVMe SSDs erforderlich. Es sind Motherboards mit Controllern für NVMe RAID mit M.2 SSDs erhältlich. Die Gigabyte Z170X-SOC unterstützt bis zu drei M.2 NVMe-Laufwerke und ermöglicht Schreibgeschwindigkeiten von bis zu 24 Gbit/Sek. Eine RAID 0-Konfiguration sorgt für Bestleistungen in der Schreibgeschwindigkeit und Speicherkapazität bei Minimierung der Systemkosten und -komplexität.

Standardmäßig verfügbare Systeme

Die Übernahme von 10 Gigabit-Ethernet als Schnittstelle für Machine Vision treibt die Entwicklung vorkonfigurierter Systeme voran, die mehrere 10GigE-Kameras unterstützen. Beispielsweise verfügt der Industrie-PC Vecow ECS-9700 über vier 10GBASE-T-Anschlüsse.

Einrichtung Ihres Netzwerks für 10GigE-Kameras

10GBASE-T-Netzwerk-Hardware ist fast überall erhältlich. Hardware zur Unterstützung von 9K- oder 15.5K-Jumbopaketen macht das Beste aus dem Leistungsvermögen Ihres optischen 10GigE-Systems, indem sie den Netzwerk-Overhead verringert und den Zusammenfügungsprozess von Paketen im Host vereinfacht. Für Systeme mit mehreren Kameras empfiehlt FLIR CAT6A-Kabel, um Einkopplungen nebeneinanderliegender Kabel zu minimieren.
Ein hostseitiger Anschluss pro Kamera ist nicht bei allen Systemen mit mehreren Kameras nötig. Wenn ein System Kameras mit geringerer als der maximalen Rate auslöst, kann ein einzelner hostseitiger 10GigE-Anschluss für zwei oder mehr Kameras über einen Switch gemeinsam verwendet werden. Dabei ist die Auslösereihenfolge der Kameras zu berücksichtigen. Falls mehrere Kameras gleichzeitig auslösen, führt die Übertragung von zwei oder mehr Bildern zur selben Zeit zu einer Latenz, die sich proportional zur Anzahl der auslösenden Kameras erhöht.
Die Verfügbarkeit erschwinglicher 10GigE-Switches bietet Systemdesignern eine einfache Methode, das Precision Time Protocol (PTP) IEEE1588 für Systeme mit mehreren Kameras zu aktivieren. Über PTP lässt sich eine einheitliche Zeiteinstellung über mehrere Kameras hinweg realisieren, indem die Taktgeber miteinander oder mit einer GPS-Grandmaster-Uhr synchronisiert werden, die mit demselben Switch verbunden ist.
Ein aktueller Trend bei 10GigE-Switches ist die Ergänzung von Kombinationsanschlüssen, die sowohl 10GBASE-T- als auch SFP-Verbinder unterstützen. Switches wie der QNAP QSW-1208-8C bieten Systemkonstrukteuren nie dagewesene Flexibilität. Mit ihnen lassen sich 10GBASE-T-Kameras an vorhandene Hardware auf SFP-Basis anschließen, ohne dass neue Sende-Empfangs-Komponenten benötigt werden. Überdies können sie als kostensparende Medienkonverter verwendet werden und so dafür sorgen, dass mehrere 10GBASE-T-Kameras über 1 Kilometer lange Kabel per Lichtwellenleiter oder in Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Störungen (EMI) betrieben werden können.

Einrichtung Ihrer Kameras

Bei der gemeinsamen Nutzung eines einzelnen Anschlusses für mehrere Kameras müssen Systemdesigner sicherstellen, dass die Anforderungen der jeweiligen Kamera an die Bandbreite nicht die verfügbare Bandbreite des Anschlusses am Host übersteigen. Dies lässt sich auf vielerlei Arten erzielen, zum Beispiel durch:

• Auswahl einer kleineren Region of Interest (ROI), um die Pixelanzahl pro Einzelbild zu verringern.
• Begrenzung der Einzelbildrate der Kamera, um die Anzahl der Einzelbilder pro Sekunde zu verringern.
• Umschalten auf ein Pixelformat mit geringerer Bit-Tiefe.
• Umschalten von Farbkameras vom RGB-Pixelformat auf BAYER8 sowie Aktivierung der hostseitigen Farbinterpolation, um die Anzahl der Bits pro Pixel zu verringern.

Das Festsetzen des Maximaldurchsatzes der Kamera ist eine nützliche Methode, um Ungewissheiten zu reduzieren, während gleichzeitig die bestmögliche Leistung gewährleistet wird. Mit festgesetztem Maximaldurchsatz wissen Sie ganz genau, wie viel Bandbreite auf jeder Kamera zur Verfügung steht. In der Spinnaker SDK von Flir steht diese Steuerung in der Einstellung „Device Link Throughput“ (Durchsatz Geräteverbindung) zur Verfügung.

Kombinationen aus 10GigE- und GigE-Kameras

10GigE-Kameras von Flir sind mit dem GigE Vision Standard kompatibel, das unmittelbare Unterstützung für ein großes Sortiment an Drittanbieter-Software ermöglicht. 10GBASE-T-Anschlüsse arbeiten nach dem Anschließen an GigE-Hardware automatisch mit GigE-Standardgeschwindigkeit. Durch diese Kompatibilität wird die gemeinsame Verwendung unterschiedlicher 10GigE- und GigE-Kameras auf einem 10GBASE-T-Switch und einer gemeinsamen SDK leicht gemacht. Durch nahtlose Kombination von GigE- und 10GigE-Kameras können Entwickler die Bildgebungsleistung an unterschiedlichen Punkten optimieren, sodass sowohl genaue als auch kosteneffiziente Systeme bereitgestellt werden.
10GBASE-T-Hardware kann vorwiegend GigE-basierte Systeme erheblich vereinfachen. Konstrukteure können GigE-Kameras an einen 10GigE-Switch anschließen und bei voller Einzelbildrate von einem einzelnen hostseitigen 10GigE-Anschluss aus bedienen.
Die große Ähnlichkeit zwischen 10GigE- und GigE-Kameras bewirkt, dass sie sich schnell und einfach sowohl in Systemen mit einer Kamera als auch in solchen mit mehreren Kameras einrichten lassen. 10GBASE-T-Netzwerk-Hardware ist fast überall erhältlich. Die Kompatibilität mit dem Protokoll GigE Vision gewährleistet die Unterstützung einer großen Bandbreite an Software. Auch Quellen zu bewährten Vorgehensweisen wie dieser Artikel sowie diverse Bedienungsleitfäden sind einfach abrufbar.