GigE Vision erklärt

Vor der Einführung von GigE Vision im Jahr 2006 setzten viele Bildverarbeitungssysteme auf herstellerspezifische Schnittstellen, proprietäre Framegrabber und individuelle Softwaretreiber. Die Integration von Kameras unterschiedlicher Hersteller erforderte häufig schnittstellenspezifische Hardware und zusätzliche Softwareanpassungen.

Die Automated Imaging Association (AIA) führte den Standard GigE Vision ein, um die Interoperabilität zu verbessern, indem ein gemeinsames Transportprotokoll für die Bildverarbeitung auf Basis der standardmäßigen Gigabit-Ethernet-Technologie geschaffen wurde.

GigE Vision ermöglicht es konformen Industriekameras, über standardmäßige Ethernet-Infrastruktur und herkömmliche Netzwerkhardware zu kommunizieren. Dies verringert den Bedarf an proprietärer Erfassungshardware und ermöglicht es vielen Bildverarbeitungsanwendungen, Kameras unterschiedlicher Hersteller über standardisierte Softwareschnittstellen zu integrieren.

Warum GigE Vision die Fabrikhalle dominiert

Obwohl andere Schnittstellen für Industriekameras eine höhere Bandbreite bieten können, ist GigE Vision in der Fabrikautomation nach wie vor weit verbreitet, da es ausreichende Leistung mit großen Kabellängen und standardmäßiger Ethernet-Infrastruktur kombiniert.

1. Große Kabellänge

Standardmäßige Ethernet-Verkabelung wie Cat5e oder Cat6 kann üblicherweise Kabellängen von bis zu 100 Metern unterstützen, ohne dass Repeater oder eine aktive Signalverstärkung erforderlich sind.

Dadurch können Kameras in erheblichem Abstand vom Host-PC oder der Verarbeitungshardware installiert werden, was den Systemaufbau in großen industriellen Umgebungen wie Roboterzellen, Förderanlagen oder verteilten Inspektionsstationen vereinfachen kann.

2. Power over Ethernet (PoE)

Viele GigE-Vision-Kameras unterstützen Power over Ethernet (PoE), wodurch sowohl Bilddaten als auch elektrische Energie über ein einziges Ethernet-Kabel übertragen werden können.

Dies verringert den Bedarf an separater Stromverkabelung in der Nähe der Kamera und kann die Installation und das Kabelmanagement in platzbeschränkten Industriesystemen vereinfachen.

Die Entwicklung der GigE-Bandbreite

Mit steigenden Auflösungen und Bildraten der Bildsensoren können standardmäßige 1-Gigabit-Ethernet-Verbindungen in einigen bandbreitenintensiven Bildverarbeitungsanwendungen zu einem begrenzenden Faktor werden. Als Reaktion darauf wurde das GigE-Vision-Ökosystem erweitert, um Multi-Gigabit-Ethernet-Technologien zu unterstützen, während die gleiche grundlegende Protokollarchitektur beibehalten wird.

Bandbreitenintensive GigE-Vision-Systeme stellen außerdem höhere Anforderungen an die Host-Netzwerkinfrastruktur und die Verarbeitungshardware. In industriellen Umgebungen mit mehreren Geräten können sich Bildströme die Systemressourcen mit anderer Netzwerkkommunikation und Steuerungsdatenverkehr teilen.

Zur Unterstützung einer zuverlässigen Bildübertragung verwendet GigE Vision eine strukturierte Transportarchitektur, die Paketverwaltung, Timing-Steuerung und Mechanismen zur erneuten Übertragung umfasst, die für die Bilderfassung mit hohem Durchsatz ausgelegt sind. Eine korrekte Netzwerkkonfiguration und ein gutes Bandbreitenmanagement bleiben für einen stabilen Betrieb in anspruchsvollen Bildgebungsanwendungen wichtig.

Der GigE-Vision-Protokollstapel

Zur Unterstützung von Gerätesteuerung und Bildübertragung mit hohem Durchsatz unterteilt GigE Vision die Kommunikation in zwei primäre Protokollschichten.

• GVCP (GigE Vision Control Protocol):
  GVCP ist die Schicht für Geräteverwaltung und -steuerung. Sie nutzt UDP (User Datagram Protocol) zur Kameraerkennung, Gerätekonfiguration und für den Parameterzugriff. Über GVCP kann die Host-Software die XML-Beschreibungsdatei der Kamera auslesen und Einstellungen wie Belichtungszeit, Triggermodus und Erfassungsparameter konfigurieren.

• GVSP (GigE Vision Streaming Protocol):
  GVSP übernimmt die Übertragung der Bilddaten zwischen der Kamera und dem Hostsystem. Während der Erfassung werden die Bilddaten in Pakete unterteilt und nacheinander über das Netzwerk an die empfangende Anwendung oder den Bildpuffer übertragen.

Das Verständnis der Trennung zwischen Gerätesteuerung und Bild-Streaming hilft, einige der Designkompromisse zwischen GigE Vision und anderen Schnittstellen für Industriekameras zu erklären, insbesondere in Bereichen wie Bandbreitenmanagement, Netzwerkarchitektur und Systemskalierbarkeit.

GigE Vision vs. USB3 Vision

Beim Entwurf eines Bildverarbeitungssystems vergleichen Systemintegratoren GigE Vision und USB3 Vision häufig anhand von Bandbreitenanforderungen, Kabellänge, Systemarchitektur und Einschränkungen bei der Kameraplatzierung. Die am besten geeignete Schnittstelle hängt maßgeblich vom physischen Aufbau und den Leistungsanforderungen der Anwendung ab.