Schnellere Markteinführung für Machine-Vision-Kameras

Anbieter von Machine-Vision-Kameras reduzieren Markteinführungszeit mit Transportschicht-IP-Cores

Die Kernkompetenz von Technikern, die Machine Vision-Kameras und -Systeme entwickeln, liegt in der Regel in der Konfiguration der wesentlichen Kamerafunktionen für bestmögliche Bilder unter Berücksichtigung von Größe, Gewicht, Leistungsbudget und anderen Anforderungen. Sie müssen aber auch beträchtliche Zeit und Anstrengungen investieren, um Bilder von der Kamera zum Host mit höheren Geschwindigkeiten erfolgreich zu streamen. Führende Vision-Standards für die Transportschicht wie GigE Vision, USB3 Vision und CoaXPress (CXP) sind komplex und entwickeln sich ständig weiter. Erfahrene Protokollentwickler benötigen in der Regel mehrere Monate für das Design der Schnittstelle.

Eine Reihe von Herstellern moderner Machine Vision-Kameras gehen diese Herausforderung mit dem Kauf von Transportschichtschnittstellen in Form von IP-Cores (Intellectual Property) an. Diese können zusammen mit anderen Kamerafunktionen direkt in Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) integriert werden.
AMETEK Vision Research:  „Wir haben nicht nur unser Machine-Vision-Kameradesigns der nächsten Generation angepasst, um den CoaXPress-IP-Core von Euresys / Sensor to Image zu verwenden, sondern konnten auch relativ schnell den neuen CoaXPress-over-Fiber (CXPoF) mit seinem neuen CXPoF Bridge-IP-Core implementieren“, so Lee Denaro, Systemingenieur für das S991 CoaXPress-over-Fiber-Projekt von AMETEK-Vision Research, NJ-USA.
CIS Corporation: „Wir freuen uns nun, mit der Entwicklung kompatibler Kameras den neu veröffentlichten internationalen Standard CoaXPress-over-Fiber zu unterstützen“, erklärt Yusuke Muraoka, Präsident der CIS Corp, Japan.

IO Industries: „Wir konnten viele Anwendungen ausmachen, die längere Kabellängen und höhere Geschwindigkeiten erfordern, ohne dabei die zuverlässige Punkt-zu-Punkt-Verbindung, das deterministische Timing und den hohen Durchsatz, den CoaXPress bietet, zu beeinträchtigen“, äußert sich Andrew Searle, Vertriebsleiter von IO Industries, Kanada.
Ozray (ehemals NIP): „Dank der Verwendung von IP-Cores können wir in der gleichen Zeit mehr Kameras entwickeln und dabei noch die Markteinführungszeit verkürzen“, so Keith Ahn, Geschäftsführer und Technologievorstand von Ozray, Inc., Korea.
Crevis Co.: „Der größte Vorteil bei der Verwendung von IP-Cores ist, dass wir eine zuverlässige Standardübertragungsschnittstelle in einem Bruchteil der zuvor benötigten Zeit erstellen können“, erklärt June Hwang, Geschäftsführer von Crevis Co., Korea.

Vor einem Jahrzehnt war Camera Link die am weitesten verbreitete Transportschichtschnittstelle für Bildverarbeitungssysteme. Der Streamingteil von Camera Link war gut definiert, aber der Steuerungspfad war nicht spezifiziert. Daher benötigte jede Kamera ihr eigenes Konfigurationsprotokoll, was für eine vollständige Unterstützung der Kamera einige hostseitige Anpassungen erforderte. Heute sind Machine-Vision-Kommunikationen zwischen Kamera und Hostcomputer weitestgehend standardisiert, vorrangig über CXP-, GigE- und USB-Schnittstellen. Die neuen Vision-Standards sind komplexer und erfordern engere Timing-Spannen als frühere Generationen. Weitere Komplikationen ergeben sich daraus, dass sich die Standards selbst weiterentwickeln. Dieser Fakt erfordert eine Überprüfung des Standards und manchmal ist auch ein Upgrade der Transportschichtimplementierung erforderlich.

Das Aufkommen von Transportschicht-IP-Cores für Bildverarbeitungssysteme reduziert die für die Entwicklung von Kamera-Host-Schnittstellen benötigte Zeit. Sensor to Image (S2I), eine Geschäftseinheit von Euresys und führender Anbieter von Framegrabbern, bietet beispielsweise IP-Cores, die die neusten Schnittstellenstandards CXP, GigE Vision und USB3 Vision erfüllen. Diese IP-Cores sorgen für die Interoperabilität von Kamera und Host und gewährleisten gleichzeitig Compliance mit der neusten Version der Schnittstellenschicht.

MVDK-Evaluierungskarte mit MIPI CSI-2- Sensor und CXP-Schnittstellenkarte

Die Lösungen von S2I für Vision-Standard IP-Cores werden mit einem funktionierenden Referenzdesign zusammen mit FPGA-IP-Cores geliefert, die vollständig mit vielen gängigen Framegrabbern und Bilderfassungsbibliotheken getestet wurden. Die IP-Cores sind kompakt und lassen viel Platz für weitere Vision-Funktionen.

Sie sind mit den Xilinx-Serien 7 bis Ultrascale+ sowie den Intel Cyclone/Arria 10 kompatibel.  

Xilinx Kintex 7-Evaluierungskarte mit CXP- und IMX Pregius-Schnittstellenkarten

Intel Cyclone 10-Evaluierungskarte mit CXP-Schnittstellenkarte

Das Top-Level-Design besteht aus der Schnittstelle zwischen externer Hardware wie dem Bildsensor und Transportschicht-PHY. Es wird als VHDL-Quellcode geliefert, der an kundenspezifische Hardware über die von IP-Cores unterstützten führenden FPGA-Plattformen hinaus angepasst werden kann.

Das Videoerfassungsmodul des Referenzdesigns simuliert eine Kamera mit einem Testmustergenerator. Dieses Modul wird als VHDL-Quellcode geliefert und durch eine Sensorschnittstelle sowie Pixelverarbeitungslogik im Kameradesign ersetzt. Eine FPGA-integrierte CPU (MicroBlaze, NIOS oder ARM) wird für mehrere zeitunkritische Steuerungs- und Konfigurationsaufgaben in den Vision-Standard IP-Cores verwendet. Diese Software ist in C geschrieben und kann vom Kunden erweitert werden.

„Durch die Wiederverwendung von IP-Cores können sich Machine-Vision-Unternehmen darauf konzentrieren, wie beste Bilder entstehen – und das bei vollständig freier Wahl der Hardware in Bezug auf ihre Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistungsbudget“, sagte Jean Caron, Vice President Sales & Support für EMEA bei Euresys. „Wir arbeiten eng mit den CoaXPress-, USB3 Vision- und GigE Vision-Komitees zusammen. So können wir gewährleisten, dass unsere IP-Cores die neusten Überarbeitungen der Standards erfüllen“, erklärte Matthias Schaffland, IP Product Specialist bei S2I. S2I hat kürzlich einen IMX Pregius-IP-Core mit Schnittstelle für Pregius Sub-LVDS-Bildsensoren von Sony auf den Markt gebracht. Das Unternehmen hat auch eine Schnittstelle für MIPI-Sensoren herausgebracht, die vor allem in eingebetteten Vision-Systemen und Mobilgeräten eingesetzt werden. S2I bietet eine Volumenlizenz, die sehr gut für Unternehmen mit einer großen Produktlinie geeignet ist, sowie eine Einzellizenz als beste Option für Unternehmen mit kleinerem Sortiment. Schulung und Support sind in beiden Lizenzoptionen enthalten.

AMETEK-Vision Research ist stolz auf die hohe Auflösung seiner Bilder, seine leistungsstarke Software, die Zuverlässigkeit seiner Produkte und seinen engagierten Einsatz für Kunden. Die Entwicklungsziele des Unternehmens umfassen elektronische Bildverarbeitungsprodukte mit höherer Auflösung und schnelleren Frameraten sowie „intelligenteren“ Kameras mit noch leistungsstärkerer und robuster Software.

AMETEK-Vision Research nutzt nicht nur die Modularität und Geschwindigkeit des CoaXPress-Standards, sondern möchte auch CoaXPress-over-Fiber in ihre neuesten S991-Kameras mit hoher Auflösung und hoher Geschwindigkeit implementieren. „Dass wir die Partnerschaft mit Euresys / Sensor to Image eingegangen sind, um zum Early Adopter dieser neuen Erweiterung des CoaXPress-Standards zu werden, war für uns eine hervorragende Erfahrung. Wir haben nicht nur unser Machine-Vision-Kameradesigns der nächsten Generation angepasst, um den CoaXPress-IP-Core von Euresys / Sensor to Image zu verwenden, sondern konnten auch relativ schnell den neuen CoaXPress-over-Fiber (CXPoF) mit ihrem neuen CXPoF Bridge-IP-Core implementieren. Dies in Kombination mit der aktiven technischen Unterstützung von Euresys ermöglichte uns, diesen neuen Ansatz für eine breite Einführung in der Branche mit den Normenausschüssen voranzubringen. Durch Einsatz ihres neuen Coaxlink QSFP+ CXPoF-Framegrabbers und der eGrabber-Software war eine Implementierung mit zwei QSFP+-Anschlüssen möglich, was perfekt zu unseren hochleistungsstarken Machine-Vision-Kameras passt. Anstatt 16 Coaxialkabel zu verwenden, um die vollständige Bandbreite unserer Sensoren zum Host-PC zu unterstützen, ist dies jetzt mit nur 2, wesentlich leichteren und längeren Glasfaserkabeln möglich, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich ist. Dies kombiniert eine optimierte Implementierung und verbesserte Betriebsleistung.“

IO Industries Inc. entwickelt digitale Videogeräte auf dem neusten Stand der Technik. Seit 1991 liegt unser Schwerpunkt darauf, Kunden leistungsstarke und hochwertige Lösungen für alle Arten von digitalen Videoanwendungen anzubieten.  Andrew Searles ergänzt: „Der Einsatz des CoaXPress-over-Fiber-Protokolls mit einer einzigen optischen QSFP+-Schnittstelle für unsere Redwood-Kameraserie mit Unterstützung von 45-MP- und 65-MP-CMOS-Sensoren ist für IO Industries ein zeitnahes Angebot für unsere Kunden mit höchsten Ansprüchen an modernste Technik“.

Ozray ist ein Anbieter von Machine-Vision-Kameras, der IP-Cores in seine Pollux- und Pamina-Reihe, seine Zeilenkameras sowie seine Deneb-Wärmekameras implementiert hat. Ahn erklärte, dass die hausinterne Entwicklung von CXP- und GigE-Transportschichtschnittstellen wesentlich teurer gewesen wäre, als der Kauf von IP-Cores. „Beim Kauf von IP-Cores können sich unsere internen Engineering-Ressourcen so auf Bildverarbeitungs- und Steuersensorfunktionen konzentrieren, wie dies früher nicht möglich war, als noch viele Ressourcen mit der Kamera-Host-Schnittstelle beschäftigt waren“, erläuterte Ahn. „Früher hatten wir nur Camera Link im Sortiment, aber durch die Erweiterung unserer Schnittstellenangebote können wir jetzt dank CXP und GigE auch neue Märkte bedienen. Wir sind mit den IP-Cores und Services von S2I 100 % zufrieden.“

Crevis ist ein führender Anbieter von Machine-Vision-Kameras und industriellen Controllern. Hwang sagte, dass für die Entwicklung der internen Übertragungslogik, der Gerätetreiber und der Tx/Rx-Bibliothek für die Transportschichtschnittstellen für seine Flächenkameras in der Vergangenheit eine beträchtliche Anzahl an Engineering-Fachkräften erforderlich war. „Jetzt kaufen wir IP-Cores für GigE-, CXP- und USB-Schnittstellen von S2I und unsere Techniker können sich auf die Entwicklung von Sensorschnittstellen und Kamerafunktionen konzentrieren“, so Hwang. „S2I bietet Referenzdesign, Schulung und technischen Support. Mit diesem Ansatz können wir eine zuverlässige Standard-Übertragungsschnittstelle in einem Bruchteil der früher benötigten Zeit entwickeln. Durch die Integration von IP-Cores in einen FPGA, das viele andere Teile ersetzt, konnten wir auch die Größe und die Herstellungskosten unserer Kameras reduzieren.“

Die Ranger 3 3D-Streamingkamera von Sick bietet eine höhere Anzahl an 3D-Profilen pro Sekunden in Kombination mit einem großen Höhenbereich und hoher Bildqualität. „Frühere Generationen der Ranger 3 hatten eine proprietäre Gigabit-Ethernet-Schnittstelle für Funktionen, die mit dem Standard nicht möglich waren,“ erklärte Mattias Johannesson, Senior Expert für Software von 3D-Kameras bei SICK IVP AB. „Mit der Weiterentwicklung des Standards um die von uns benötigten Funktionen wollten wir diesen gern übernehmen. Allerdings wollten wir keine Engineering-Ressourcen abstellen, die für eine hausinterne Lösung des Jobs erforderlich gewesen wären. S2I bot einen bewährten Standard-IP-Core zusammen mit neuen kundenspezifischen Modulen für die Erweiterungen des Standards. Wir hatten einen sehr guten Austausch sowie einige direkte Meetings mit S2I während des Implementierungsprozesses. Unser Engineering-Team konnte sich auf unsere Imager- und Signalprozessoren konzentrieren. So war es möglich, dass wir die neuste Ranger 3-Version wesentlich schneller auf den Markt bringen konnten, als wenn wir die Schnittstelle hausintern entwickelt hätten.“

„Mit IP-Cores können Machine-Vision-Unternehmen FPGA-basierte Produkte mit GigE Vision-, USB3 Vision- und CoaXPress-Standards entwickeln, die höchstmögliche Leistung bei geringem Platzbedarf und minimaler Entwicklungszeit bieten“, bemerkte Schaffland abschließend.

Referenten:
Jean Caron – Euresys Vice President Sales & Support EMEA
Matthias Schaffland – Sensor to Image IP Core & Custom Design Product Specialist
AMETEK-Vision Research
IO Industries
Ozray
Crevis
Sick