GigE Vision und GenICam: Die praktische Anwendung

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1 GigE Vision und GenICam: Die praktische Anwendung Peter Keppler Vertriebsleiter Systemlösungen STEMMER IMAGING GmbH Technologie-Tag GigE Vision und GenICam München, 14. September 2006 M E M B E R O F T H E S T E M M E R I M A G I N G G R O U P

2 Überblick Aufbau eines GigE-Bildverarbeitungs-Systems Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Erforderliche Hardware-Komponenten Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerkadapter

3 Aufbau eines Bildverarbeitungs-Systems z.b. Erfassung mit analogen Kameras spezielle Bilderfassungskarte (Frame Grabber) im PC Trigger-Signal zur Maschinensynchronisierung an PC digitale I/O-Signale über PC (z.b. Ergebnisausgabe) Steuerung der Kameras über serielle Kommunikation vom PC NIC: Network Interface Card = Netzwerk-Karte FG: Frame Grabber = Bilderfassungskarte I/O: Input/Output = Digitale Ein- und Ausgabe Trig: Trigger = Signal zur Bildaufnahme

4 Aufbau eines Bildverarbeitungs-Systems z.b. Erfassung mit analogen Kameras spezielle Bilderfassungskarte (Frame Grabber) im PC Trigger-Signal zur Maschinensynchronisierung an PC digitale I/O-Signale über PC (z.b. Ergebnisausgabe) Steuerung der Kameras über serielle Kommunikation vom PC Aufwändige Verbindung mit proprietären Kabeln zwischen Anlage und PC

5 Aufbau eines GigE-Bildverarbeitungs-Systems Erfassung mit Gigabit-Ethernet-Kameras keine spezielle Erfassungskarte im PC mehr keine spezielle Kabeltechnologie mehr problemlose Überbrückung weiter Entfernungen Trigger- und I/O-Signale bleiben in der Anlage Ideale Entkopplung der Bilderfassung vom BV-Rechner durch ein einziges Netzwerk-Kabel

6 Aufbau eines GigE-Bildverarbeitungs-Systems Erfassung mit Gigabit-Ethernet-Kameras einfache Erweiterung mit Ethernet-Switches einfache Erweiterung mit Netzwerkkomponenten einfache Erweiterung mit I/O-Karten im Rechner Netzwerk-Komponenten werden millionenfach genutzt und sind daher optimal getestet.

7 Überblick Aufbau eines GigE-Bildverarbeitungs-Systems Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Erforderliche Hardware-Komponenten Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerkadapter

8 Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Fall 1: Direkte Verbindung einfachste Integration

9 Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Fall 1: Direkte Verbindung einfachste Integration hohe Effizienz durch große Datenpakete Efficiency of Ethernet at 10Mbps 100% Efficiency 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1024-Byte-Packet 512-Byte-Packet 256-Byte-Packet 128-Byte-Packet 64-Byte-Packet Number of sending stations

10 Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Fall 1: Direkte Verbindung einfachste Integration hohe Effizienz durch große Datenpakete einfach skalierbar Performance-Beschränkung durch Auslastung der CPU und des PCI-Bus

11 Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Fall 2: Multikamera-Lösung höchste Flexibilität Performance-Beschränkung durch Netzwerkbandbreite

12 Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Fall 2: Multikamera-Lösung höchste Flexibilität einfache Multikamera-Lösungen Performance-Beschränkung durch Netzwerkbandbreite

13 Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Fall 2: Multikamera-Lösung höchste Flexibilität einfache Multikamera-Lösungen durch Switches theoretisch unendliche Kabellängen Performance-Beschränkung durch Netzwerkbandbreite

14 Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Fall 2: Multikamera-Lösung höchste Flexibilität einfache Multikamera-Lösungen durch Switches theoretisch unendliche Kabellängen Efficiency of Ethernet at 10Mbps 100% 90% 80% 70% 1024-Byte-Packet 512-Byte-Packet Switches beschränken die Paketgröße. Efficiency 60% 50% 40% 30% 256-Byte-Packet 128-Byte-Packet 64-Byte-Packet Dadurch reduzierte Effizienz! 20% 10% 0% Number of sending stations

15 Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Fall 3: Multikamera-Multirechner-Lösung höchste Performance durch verteiltes Rechnen nur durch Netzwerk-Technologie möglich (nicht USB, IEEE etc.) Integration erfordert viel Erfahrung in Netzwerktechnologie und Bildverarbeitung

16 Überblick Aufbau eines GigE-Bildverarbeitungs-Systems Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Erforderliche Hardware-Komponenten Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerkadapter

17 Erforderliche Hardware-Komponenten Kabel auf Kupferbasis Verfügbare Kabeltypen: Cat 5: nur für 100 Mbit geeignet wegen fehlender Schirmung Cat 5e: für 1 GBit nur in Laborumgebung empfohlen Cat 6: Cat 7: für 1 GBit im industriellen Umfeld empfohlen Zukunftssicher durch Eignung für 10 GBit

18 Erforderliche Hardware-Komponenten Kabel auf Kupferbasis maximale Kabellänge 100m für alle Kupfer-Typen Schleppketten-taugliche Cat5- und Cat6-Varianten verfügbar Steckverbinder für 1GBit basieren immer auf RJ45 industrielle Sonderformen von RJ45 sind verfügbar Bild: Phoenix Contact

19 Erforderliche Hardware-Komponenten Lichtwellenleiter für spezielle Anforderungen Realisierung großer Kabellängen bis zu ca. 70 km Sichere Übertragung im gestörten Umfeld Bild: Lindy Umsetzung über Netzwerk-Switches mit Glasfaser-Modulen Übertragung über Standard-Multimode-Leitungen Bild: Lindy

20 Erforderliche Hardware-Komponenten Lichtwellenleiter für spezielle Anforderungen Glasfaserleitungen sind relativ empfindlich Leitungen fest verlegen am besten in Schutzrohren Bild: Lindy minimale Biegeradien bei der Verlegung beachten in kritischen Bereichen auf geeignetes Kupferkabel umsetzen Bild: Lindy

21 Erforderliche Hardware-Komponenten Netzwerkkarten Keine besonderen Anforderungen Jede 1GBit-Netzwerk-Karte funktioniert Netzwerk-Karten von Laptops bieten je nach Chipsatz sehr unterschiedliche Leistungsdaten Bild: Netgear Switches Keine besonderen Anforderungen Jeder moderne 1GBit-Switch funktioniert Integrierter Speicher erhöht die Performance Bild: Netgear

22 Erforderliche Hardware-Komponenten Exkurs: Hubs und Switches Bild: Netgear Hubs Ein Hub verbindet alle angeschlossenen Geräte untereinander Jedes Datenpaket wird an alle angeschlossenen Geräte weitergeleitet Das Gesamtnetzwerk wird stark belastet Switches Ein Switch schickt ein Paket nur an den Port, der das Paket auch benötigt Einzelne Ports können mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen Der Switch speichert den festen Weg zu den einzelnen Geräten Für Firewire (IEEE1394) und USB2.0 sind nur Hubs verfügbar!

23 Erforderliche Hardware-Komponenten Verfügbares Ethernet-Zubehör Ethernet-Seriell-Umsetzer Ethernet-I/O-Umsetzer Ethernet-Profibus-Umsetzer Ethernet-gesteuerte Blitz-Controller Bild: Moxa Das Zubehör basiert zumeist auf 10/100MBit-Technologie Bild: Advantech

24 Überblick Aufbau eines GigE-Bildverarbeitungs-Systems Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Erforderliche Hardware-Komponenten Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerkadapter

25 Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerk-Adapter Die 3 verschiedenen Treiberkonzepte: Windows Network-Stack -Treiber High Performance -Treiber Filter -Treiber

26 Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerk-Adapter Windows Network-Stack-Treiber Vorteile Videodaten und Netzwerkdienste über eine Karte Treiber sind Bestandteil des Betriebssystems wird von jeder Netzwerkkarte unterstützt Nachteile Hohe CPU-Last durch viele Schichten im Stack Videodaten, Steuerdaten und Netzwerkdienste müssen sich die verfügbare Bandbreite teilen

27 Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerk-Adapter High-Performance-Treiber Vorteile DMA-Transfer der Videodaten direkt in PC-Speicher Sehr geringe Belastung der CPU durch Transfer Volle Bandbreite für die Bildverarbeitung reserviert Nachteile Treiber nur für INTEL PRO/1000-Karten verfügbar Kein Zugriff auf sonstige Netzwerk-Dienste Netzwerk-Karte verhält sich wie Frame Grabber

28 Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerk-Adapter Filter-Treiber Vorteile Videodaten und Netzwerkdienste über eine Karte Treiber wird von jeder Netzwerkkarte unterstützt Geringe CPU-Last durch Filterung der Videodaten Nachteile Nicht ganz so schnell wie High-Performance-Treiber Nicht ganz so flexibel wie Windows Stack-Treiber

29 Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerk-Adapter Die 3 verschiedenen Treiberkonzepte Windows Network-Stack -Treiber Der Flexible High Performance -Treiber Der Schnelle Filter -Treiber Der Ideale

30 Überblick Aufbau eines GigE-Bildverarbeitungs-Systems Anbindung der Kameras an das GigE-BV-System Erforderliche Hardware-Komponenten Treiberkonzepte zur Ansteuerung der Netzwerkadapter Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!