Kamera

Das Auge des Inspektionssystems

Kamera-Schnittstellen zur Bildübertragung

Eine industrielle Kamera überträgt in der Regel das Bild zur Auswertung an einen PC oder ein Embedded Board. Als Schnittstelle für die Bildübertragung gibt es eine Vielzahl von alternativen Schnittstellen und Protokollen. Im Laufe der Jahrzehnte wurden immer wieder neue Schnittstellen entwickelt, so dass es nicht einfach ist, den Überblick zu behalten.

Die Wahl der richtigen Übertragungsschnittstelle für industrielle Kameras hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Faktoren wie Datenrate, Reichweite, Latenz und Kosten müssen sorgfältig abgewogen werden, um die bestmögliche Leistung und Effizienz zu gewährleisten.

Industrielle Kamera-Schnittstellen

USB3 und USB3 Vision

USB3.x bietet eine flexible und kostengünstige Lösung für die Bildübertragung in industriellen Anwendungen. Mit Datenraten von bis zu 5 Gbit/s (USB 3.0) und 10 Gbit/s (USB 3.1) ermöglicht USB3.x schnelle und zuverlässige Verbindungen. Die einfache Implementierung und breite Verfügbarkeit machen USB3.x zu einer beliebten Wahl für viele Anwendungen. Die USB3 Vision-Schnittstelle wurde zusätzlich herstellerübergreifend softwareseitig zur Konfiguration und Bildübertragung standartisiert.

GigE Vision (1, 2.5, 5 & 10 GigE)

GigE Vision ist ein Standard für die industrielle Bildverarbeitung, der auf Gigabit-Ethernet basiert. Mit verschiedenen Geschwindigkeiten von 1 GigE bis zu 10 GigE bietet GigE Vision eine hohe Bandbreite und Reichweite. Diese Schnittstelle ist ideal für Anwendungen, die eine schnelle und stabile Datenübertragung über große Entfernungen erfordern. GigE Vision ist weit verbreitet als klassische Industrie-Schnittstelle, wenn die Datenrate nicht zu extrem ist.

Camera Link (CL)

Camera Link ist ein serielles Kommunikations-Protokoll, das Anfang der 2000er Jahre speziell für die Bildverarbeitung entwickelt wurde. Es bietet hohe Datenraten und geringe Latenzzeiten, was es ideal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen macht. Camera Link unterstützt sowohl parallele als auch serielle Übertragungen und wird in vielen industriellen Anwendungen wie Qualitätskontrolle und Inspektion eingesetzt. Zunehmend bekommt die Schnittstelle Konkurenz durch 5 & 10 GigE.

Camera Link HS (CLHS)

Camera Link HS (High Speed) ist eine Weiterentwicklung des Camera Link-Standards und bietet noch höhere Datenraten und Reichweiten. CLHS unterstützt bis zu 10 Gbit/s pro Kanal und bietet eine zuverlässige und stabile Verbindung für anspruchsvolle Bildverarbeitungsanwendungen. Es wird in vielen High-End-Anwendungen eingesetzt.

CoaXPress (CXP)

CoaXPress ist eine High-Speed-Schnittstelle, die hohe Datenraten und lange Kabelstrecken kombiniert. Mit Geschwindigkeiten von bis zu 12,5 Gbit/s pro Kabel ist CoaXPress ideal für Anwendungen, die eine extrem hohe Bildqualität und Geschwindigkeit erfordern. CoaXPress wird häufig z.B. in der Halbleiterindustrie oder Druckinspektion eingesetzt.

MIPI CSI2 für Embedded Boards

Der MIPI CSI2 (Camera Serial Interface 2) ist eine gängige Schnittstelle für Embedded Boards und mobile Geräte. Sie bietet eine hohe Datenrate und geringe Latenz, was sie ideal für Anwendungen mit begrenztem Platz und Energieverbrauch macht. Wird heute so ziemlich in jedem Smartphone verwendet.

Schnellvergleich der Schnittstellen

GigE Vision

Seit mehr als 15 Jahren ist die GigE-Schnittstelle der Quasi-Standard für die meisten 2D-Kamera-Anwendungen. Große mögliche Kabellängen und der kostengünstige Einsatz konventioneller Netzwerktechnik. Mittlerweile ist die Schnittstelle auch mit höheren Übertragungsraten (2,5, 5, 10 GigE) verfügbar und verdrängt zunehmend Camera Link-Anwendungen. Über Power over Ethernet können die Kameras auch mit Spannung versorgt werden. Softwareseitig wurde die GigE-Schnittstelle als GigE-Vision standardisiert, so dass eine herstellerübergreifende Kompatibilität erreicht werden konnte. Das Ziel von GenICam® (Generic Interface for Cameras) ist es, eine generische Programmierschnittstelle für alle Arten von Geräten bereitzustellen

USB3 Vision

Die energiesparende und kostengünstige Möglichkeit, Bildinformationen bis zu mehreren hundert Megabyte zu übertragen, hat viele Freunde gefunden. Die Kameras sind klein, stromsparend und oft günstiger als die GigE-Konkurrenz. Kompakt und gut für Designs mit kurzen Kabellängen.

Camera Link

Wenn es um hohe Bandbreiten mit bis zu ca. 850 MByte/sec. für Zeilenkameras und hochauflösende Kameras ging, gab es für viele Jahre nur eine Antwort.
Heute zunehmend von einfachen Lösungen wie 5 und 10 GigE bedrängt. Als High End-Schnittstelle zunehmend limitiert.

CoaxPress und Camera Link HS

High-End-Zeilenkamerasysteme mit Scanraten bis zu 400 kHz oder Flächenkameras mit 50, 120 oder 250 Megapixel benötigen Schnittstellen mit extremer Bandbreite, die auch für größere Kabellängen geeignet sind. Hierfür stehen CoaxPress und CameraLink HS zur Verfügung.

Gesamtübersicht Kamera-Schnittstellen

Die meisten Industrieschnittstellen wurden in den letzten Jahren von den internationalen Bildverarbeitungsverbänden in Europa, Amerika und Asien weiterentwicklet und standardisiert. Weitere Details zu den Schnittstellen finden Sie beim amerikanischen A3-Verband:

https://www.automate.org/vision/vision-standards/vision-standards

Weitere Kommunikations-Schnittstellen

Digitale Inputs: Sie werden meistens zur Kamera-Triggerung genutzt, bei einer Zeilenkamera werden neben einem Bild-Trigger noch zusätzlich Zeilen-Trigger-Signale genutzt.
Digitale Outputs: Sie dienen zur direkten Ansteuerung einer Beleuchtung, die synchron zur Bildaufnahme ist oder zur Ausgabe eines Gut-/Schlecht-Signals für einen schnellen Teile-Reject an der Anlage etc.
Encoder-Eingänge: Beim Scannen von Bauteilen mit Zeilenkameras oder 3D-Lasertriangulationssystemen wird der Vorschub teilweise mikrometergenau über Encoderimpulse an die Kamera übertragen. So kann unabhängig von der Bandgeschwindigkeit ein verzerrungsfreies Bild erzeugt werden.
Serielle Schnittstelle: Sie wird bei industriellen Kameras vorwiegend zur Parametrisierung (Einstellen der Belichtungszeit, Gain etc.) benutzt, intelligente Kameras nutzen diese vorwiegend zur Daten-Kommunikation zu einer SPS etc. Verschwindet immer mehr.
Ethernet-Schnittstelle: Die Programmierung und Parametrisierung Intelligenter Kameras erfolgt in vielen Fällen über die Ethernet-Schnittstelle, zunehmend mit Gigabit Ethernet. Im späteren Anlagenbetrieb werden mittels TCP/IP-Protokoll Messdaten und Prüfergebnisse auf einen Rechner, Robotercontroller oder eine SPS geschickt, Prüfprogramme selektiert und sogar evtl. getriggert. Über diese Schnittstelle können auch Bilder zu einem Rechnersystem als "Pseudo-Livebild" geschickt werden, um dort visualisiert oder protokolliert zu werden. Auf dieser Schnittstelle können auch zusätzliche Protokolle, wie EthernetIP, ProfiNet und Modbus TCP oder spezielle proprietäre Roboterprotokolle aufgesetzt werden, die sogar gleichzeitig mit dem TCP/IP-Protokoll betrieben werden können. Im Vergleich zur seriellen Schnittstelle ist hier eine wesentlich höhere Datenrate, aber eben auch eine Multi-Kommunikation möglich.
LED-Anzeigen: Signal-LEDs am Kameragehäuse zeigen dem Anwender den Betriebs-Status (Bootvorgang, Ready, Busy etc.), geben Informationen zur Triggerung oder über die Datenübertragung. Teilweise sind diese Signalanzeigen wie ein physikalischer Output in der Kamera frei zu programmieren, um bestimmte Informationen zu kommunizieren.

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