Schnittstellenrevolution

Kamerasysteme - Wie gelangt ein Kamerabild zur Auswertung in den PC? Auf diese Frage gibt es zahllose Antworten. Neue Schlagworte in der Diskussion sind ›GigE Vision‹ und ›GenICam‹. Hinter den kryptischen Kürzeln verbirgt sich eine Revolution für die Bildverarbeitung - sagen Fachleute.

14. Dezember 2005

GigE Vision heißt Gigabit-Ethernet for Machine Vision und wird als der kommende Schnittstellenstandard für die industrielle Bildverarbeitung angekündigt. Im Zusammenspiel mit dem verallgemeinerten generischen Software-Interface GenICam (Generic Interface for Cameras) soll der Standard der Branche schon bald interessante neue Impulse geben. Wie gelangt ein Kamerabild in den auswertenden PC? Auf diese scheinbar einfache Frage gibt es in der industriellen Bildverarbeitung mittlerweile viele sehr kontrovers diskutierte Antworten. Es fallen Begriff e wie CameraLink, FireWire, sowie USB 2, Gigabit-Ethernet oder 10 Gigabit-Ethernet. Neben diesen Standard-Übertragungsmöglichkeiten, die meist aus dem PC Consumer-Markt stammen, gibt es zudem noch weitere, proprietäre Wege. Für den Anwender ist es aufgrund des umfangreichen Angebots am Markt daher nicht einfach, bei der Planung eines neuen Bildverarbeitungssystems diejenigen Komponenten auszuwählen, die diese Aufgabe optimal lösen.

Hardware austauschbar

Im Rennen um die bevorzugte Schnittstelle geht nun bald ein neuer Standard an den Start: Gigabit-Ethernet for Machine Vision oder kurz GigE Vision. Der Standard definiert zum einen ein einheitliches Protokoll auf Basis von UDP/IP, über das kompatible Kameras mit einem Host kommunizieren können. Zum anderen soll mit GenICam eine allgemein gültige Softwareschnittstelle Endgeräten erlauben, ihre Funktionen einer generischen Software mittels eines standardisierten XML-Files mitzuteilen. Die Kombination von einheitlichem Protokoll und XML-Definition befähigt den Anwender, eine geräteunabhängige Software von einem beliebigen Anbieter zu verwenden. Daraus resultiert ein wesentlicher Vorteil: Die eingesetzte Hardware wird durch den kommenden Standard leichter austauschbar. Dies verspricht kürzere Designzyklen, geringere Entwicklungskosten und eröffnet somit breitere Marktchancen.

Was ist besser?

GigE Vision als industrieller Standard wird laufend weiter entwickelt und zudem intensiver als herkömmliche Schnittstellen. In Zukunft wird er auch als 10 GigE-Version verfügbar sein. Durch die Nutzung der Massenmarkttechnologie Ethernet als Basis von GigE Vision wird die Bildverarbeitung von günstigeren Komponenten profitieren. Außerdem ist bereits eine breite Palette an industrietauglichen Konnektoren und Kabeln sowie Komponenten wie Router oder Switches erhältlich. Schutzart-Varianten ermöglichen den Einsatz im rauen industriellen Umfeld. Gigabit-Ethernet lässt deutlich höhere Kabellängen zu. Der Einkäufer kann auf günstige Produkte zurückgreifen, die selbst in Ausführungen für Schleppketten und Roboter erhältlich sind. Theoretisch sind bis zu 100 Meter Distanz denkbar. Der Datentransport wird komfortabler: Bei der Protokolldefinition von GigE Vision spielt das darunter liegende Transportmedium in erster Näherung keine Rolle. Somit steht auch dem Einsatz eines 10 GBit-Ethernet in Zukunft nichts im Wege. Die Unterstützung von Seiten der großen Lieferanten ist gegeben: Das Standardisierungs-Gremium von GigE Vision ist der AIA (Automated Imaging Association) zugeordnet und wird somit von vielen weltweit führenden Herstellern der Bildverarbeitungsbranche getragen. Die Motivation für einen eigenen Standard ergibt sich aus den Erfahrungen mit bestehenden Lösungen. GigE Vision und GenICam verfolgen den neuen Ansatz, die Funktionalität der Kameras nicht festzuschreiben. Vielmehr soll der Standard eine flexible Beschreibung der Kamera-Features liefern, die eine generische Software anschließend nutzen kann. Für die Beschreibung von Kameramerkmalen wird ein XML-File verwendet, das eine Register-Map beschreibt. In dieser Datei legen die Hersteller die Eigenschaften ihrer Produkte in einem im Standard beschriebenen Format ab und erläutern, wie und wo diese angesprochen werden können.

Software der Kamera

Damit kann beispielsweise ein Register, das die Verstärkungsfunktion einer Kamera kontrolliert, an beliebiger Stelle in der Register-Map der Kamera liegen. Mittels des XML-Files ist es der Software dann möglich, diesen Gain zu verstellen. Die generische Software spricht dann beliebige Funktionen in der Kamera an oder greift auf bestimmte Parameter zu. Der Standard GenICam definiert zum einen das Layout des XMLFiles und stellt zum anderen eine Referenzimplementierung zur Verfügung, die in der Lage ist, die Kamera zu steuern und Daten von ihr aufzunehmen. In mehreren Ausbaustufen soll GenICam die Kommunikationsschicht zur Kamera abstrahieren und damit für FireWire oder CameraLink Verfügbar sein. Im so genannten Transport-Layer werden alle notwendigen Mechanismen gekapselt. Durch den Austausch über diese Schicht kommunizieren die jeweiligen Module nicht nur mit GigE Vision-Komponenten sondern auch mit FireWire oder anderen registerbasierten Geräten. In einem weiteren Schritt soll dann auch der Austausch von definierten Abschnitten von Zeichenketten (String Tokens) realisiert werden, was dann den Einsatz von GenICam auch für CameraLink ermöglichen wird. Am GigE Vision-Standard und der Spezifikation wird seit zwei Jahren gearbeitet. Sobald alle Änderungen eingeflossen sind, sind erste Prototypen geplant. Parallel hierzu konzentrieren sich die Anstrengungen auf den GenICam-Standard. Verschiedene Hersteller bieten bereits Standard-GigE Kameras an. Diese Bezeichnung bezieht sich jedoch eher auf den Einsatz von Ethernet-Technologie. Solange der GigE Vision-Standard nicht endgültig verabschiedet ist, ist niemand berechtigt, das Gütesiegel GigE Vision kompatibel für sich und seine Produkte in Anspruch nehmen. Da die Anpassung nicht zeitintensiv sein wird, ist mit GigE Visionkonformen Komponenten schon bald nach der Verabschiedung zu rechnen.

Rupert Stelz, Stemmer Imaging

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2006