マシンビジョンインターフェースの未来

USB3ケーブル。 出典: アニル・オズタス

これは高解像度の GigE カメラです。 出典: ルメネラ

こちらは高性能 USB 3.0 カメラです。 出典: ルメネラ

イーサネットケーブル。 出典: Raysonho @ Open Grid Scheduler/Grid Engine

フレームレート、ビット深度、解像度に対する要求が増え続ける中、インターフェイス規格は、速度と堅牢性を高めてデータを転送する新しい方法でこれらの変化に適応する必要があります。 GigE Vision や USB3 Vision などの最新のインターフェイス標準は、一般的に入手可能なインターフェイスとケーブルを使用しながらストリーミング ビデオ フレームの送信をサポートしており、フレーム グラバー (コンピュータがフレームをキャプチャできるようにする高価なネットワーク インフラストラクチャ) などの特殊な機器を使用する必要がありません。ストリーミングビデオ接続)。 フレーム転送プロトコルは標準に直接組み込まれており、コストと実装の複雑さを最小限に抑えます。

これらすべてを念頭に置いて、この記事では、フレーム グラバーを必要としない最も一般的なマシン ビジョン インターフェイスの現状と近い将来について考察します。

GigE Vision インターフェイス規格は以前から存在しており、USB3 Vision よりも広く採用されています。 現在の状態では、インターフェイスは 1 本のケーブルで最大 100 メートルの距離で最大 115 MB/秒のスループット速度が可能です。 GigE Vision は、イーサネット仕様に組み込まれた下位互換性の恩恵を受けており、新しい 2.5GBase-T、5GBase-T、および 10GBase-T インフラストラクチャ上で実行できます。 銅線ベースの CAT5e/CAT-6a/CAT-7 ケーブルの Power over Ethernet (PoE) 仕様を使用して電力供給も可能です。 この仕様により、各ケーブルは接続されたカメラに最大 25 W の電力を供給できます。

電力と速度を向上させるために、2 本のケーブルをタンデムに使用して、スループットと電力供給を効果的に 2 倍にすることができます。 これは、GigE Vision 標準が完全にサポートするリンク アグリゲーション (LAG) を使用して実現されますが、このタイプの接続で安定性を実現するのは簡単ではありません。 また、イーサネット固有のネットワーキング機能もサポートしているため、既存のネットワークへの統合や、さまざまなトポロジのイーサネット スイッチとの使用が可能になります。 繰り返しになりますが、プロトコルの性質により、より複雑なネットワーク全体で安定性の問題が発生する可能性があります。

通常、ビジョン システム内のすべてのカメラは同じネットワーク上にあるため、GigE Vision ではすべてのカメラに同時にトリガー コマンドをブロードキャストでき、カメラ間の高度な同期が可能になります。 さらに、GigE Vision は、RAW (非圧縮)、JPEG、JPEG 2000、H.264 など、ネットワーク内での複数のデータ形式の送信をサポートしますが、これらに限定されません。

現在進行中の GigE Vision の次のステップは、NBase-T と 10 ギガビット イーサネットの実装です。 NBase-T を使用すると、すでに設置されているケーブル配線インフラストラクチャをアップグレードすることなく、ギガビット イーサネットの最大 5 倍の速度でデータを送信できます。 NBase-T は、既存のシステムにわずかな変更を加えるだけで済むため、ギガビット イーサネットと 10 ギガビット イーサネットの間の移行として機能することを目的としています。 ユーザーはシステム全体を 10 ギガビット イーサネットにアップグレードする準備ができたら、2 つの方法のいずれかでアップグレードできるようになります。

10 ギガビット イーサネットでは、最長 100 メートルの銅ベースの CAT-6a/CAT-7 ケーブル、または最長 5 キロメートルの距離に到達できる高価なシングルモード光ファイバ ケーブルのいずれかを使用できます。 どちらのケーブルタイプも、最大 1,100 MB/秒のデータ伝送速度をサポートします。 ただし、光ファイバー ケーブルはデバイスに電力を供給できません。 これには、遠端でデバイスに電力が供給される必要があります。

USB3 Vision 標準は、GigE Vision や他のビジョン標準から得られた経験と専門知識に基づいて構築されました。 現在、この規格は、100 メートルをはるかに超える距離で 400 MB/秒の画像スループット速度をサポートしています。 パッシブ、アクティブ、および光ファイバー延長ケーブルの組み合わせにより、USB3 Vision は最大 125 メートルの距離に到達できます。 パッシブおよびアクティブ ケーブルを使用する場合は電力供給も可能で、4.5W の電力をカメラに供給します。 ただし、ケーブルの長さはそれぞれ約 10 メートルと 25 メートルに制限されます。 また、データ送信時の消費電力は以前の USB 2.0 テクノロジーに比べて 3 分の 1 であり、全二重送信が可能です。

USB3 Vision は、カメラがホスト コンピュータの RAM に直接書き込み、CPU をバイパスするダイレクト メモリ アクセス (DMA) の利点を活用します。 これはゼロコピー画像送信とも呼ばれ、CPU 負荷を 1% 未満に軽減する重要な要素となります。 この規格は、USB のプラグ アンド プレイの性質からも恩恵を受けており、システム構成に対する簡単でユーザー フレンドリーなアプローチを提供します。

GigE Vision と同様に、USB3 Vision も複数の種類の画像フォーマットの送信を提供します。 USB 仕様では、ケーブルのホスト側とデバイス側の両方でマシン ビジョン アプリケーションに適したコネクタをロックすることもできます。 これにより、産業環境におけるカメラとコンピューティング デバイス間の確実で信頼性の高い接続が保証され、不注意による切断によって通信が中断される可能性が低減されます。

現在、この規格は USB 3.0 (現在は USB 3.1 Gen 1 として知られています) をベースに構築されていますが、USB 3.1 Gen 2 で USB3 Vision を起動するための開発が進行中です。第 2 世代は、Gen 1 の 2 倍以上のスループットを実現し、次の速度に達することができます。 1,200MB/秒以上。 これは、データ エンコーディング スキームを 8b/10b から 128b/132b に変更することで実現され、それによってオーバーヘッドが 20% からわずか 3% に削減されます。 画像のスループット速度はまだ不明ですが、USB3 Vision が現在提供している速度の 2 倍以上であると考えて間違いありません。

第 2 世代とともに、「タイプ C」として知られる新しいコネクタ タイプが追加されました。 現在のタイプ A およびタイプ B コネクタは引き続き USB 3.1 Gen 2 で動作しますが、タイプ C コネクタは USB3 Vision に強化された電源機能をもたらします。 このタイプのケーブルでサポートされている電力供給は定格 100 W で、5、12、および 20 ボルトの電圧をサポートします。 タイプ A およびタイプ B コネクタによって確立されたトレンドに従って、タイプ C コネクタもロック コネクタ付きで購入できることに注意することも重要です。

Type C ケーブルは Thunderbolt 3 プロトコルもサポートしており、非常に多用途です。 これらは、ラップトップの充電、4K モニターやカメラなどの周辺機器への電力供給とデータ送信、および携帯電話やタブレットなどの幅広い家庭用電化製品とのインターフェースを行うための、将来の標準化されたケーブルになる可能性があります。

選択はあなた次第です

USB3 Vision と GigE Vision はどちらも、高価で複雑なフレーム グラバーを必要とせずに、マシン ビジョン業界に実行可能なソリューションを提供します。 これらは、コンピューティング プラットフォームにネイティブであり、ユーザーに馴染みのあるテクノロジーに基づいて構築されています。 どちらの標準も、ソフトウェア標準を使用したシステムへの統合を容易にする Generic Interface for Cameras (GenICam) を使用して構築されています。

大解像度、高フレームレートのカメラに伴う極めて高いデータ転送速度を必要としないアプリケーション用のビジョン インターフェイス テクノロジを選択する場合、GigE Vision および USB3 Vision は、優れたパフォーマンスを提供するコスト効率の高い代替手段となります。 フレームグラバーを回避し、さまざまな業界で市販されている標準ケーブルとネットワーク機器を使用することでコストを抑えます。

Lumenera Corp. 詳細については、(613) 736-4077 に電話するか、[email protected] に電子メールを送信するか、www.lumenera.com にアクセスしてください。