USB 3.0 (USB3 Vision) statt FireWire - mehr Leistung und niedrigere Kosten beim Wechsel der Kamera-Schnittstelle

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1 WHITE PAPER USB 3.0 (USB3 Vision) statt FireWire - mehr Leistung und niedrigere Kosten beim Wechsel der Kamera-Schnittstelle Ein Thema beschäftigt die Anwender von FireWire-Kameras momentan weltweit: Wie lange läuft mein Kamera-System noch, wann soll ich wechseln, und welche andere Kamera-Schnittstelle eignet sich dann für mich? Tatsache ist: FireWire verliert langsam aber sicher die Unterstützung in der PC-Welt und wird mittelfristig vom Markt verschwinden. Die neue USB 3.0-Schnittstelle, und ihr Standard USB3 Vision, ist aufgrund der technischen Nähe zu FireWire und der attraktiven Kosten ein idealer Nachfolger, der sehr zukunftssicher ist und den einmaligen Wechsel-Aufwand mehr als rechtfertigt. Inhalt 1. Grundthematik: Das Ende von FireWire Detaillierter Vergleich von FireWire und USB3 Vision Was ist beim Wechsel zu beachten: Hardware und Software Betriebswirtschaftliche Betrachtung: Wann lohnt sich der Wechsel? Grundthematik: Das Ende von FireWire Seit der Einführung von USB 3.0 als neue Kamera- Schnittstelle im Vision Markt und dem dazugehörigen USB3 Vision Standard beschäftigen sich immer mehr Anwender mit einem Wechsel von ihren alten Firewire 1 - Kameras auf neue USB 3.0-Kameras. Die Anwendungsfälle sind sehr vielfältig und so betreffen diese Überlegungen ganz unterschiedliche Branchen wie Mikroskopie, Medizintechnik, Messtechnik oder klassische Inspektionssysteme z.b. in der Fabrikautomation. Dieses White Paper beschreibt im Detail, warum es notwendig und lohnenswert ist von FireWire als Kamera-Interface zu USB 3.0 zu wechseln und was dabei zu beachten ist. Grundsätzlich haben Anwender bei einem Wechsel die Wahl zwischen mehreren Schnittstellen. Die wichtigsten Interfaces, die in Frage kommen, sind USB 3.0, Gigabit Ethernet und Camera Link. Welche Eigenschaften und Vorteile jede Schnittstelle bietet, ist detailliert im Basler White Paper Vergleich der gängigsten digitalen Schnittstellentechnologien in der industriellen Bildverarbeitung beschrieben. In diesem White Paper wird auch auf den zur USB 3.0-Schnittstelle gehörenden USB3 Vision Standard eingegangen, der u.a. die Datenübertragung von Kamera zu PC, die Kabel, das Bohrschema und andere zentrale Punkte eindeutig definiert. Basler hat federführend an der Entwicklung dieses Standards mitgearbeitet. Somit sind Basler USB 3.0-Kameras 100% USB3 Vision Standardkonform. USB3 Vision ist aufgrund der sehr ähnlichen technischen Eigenschaften zu FireWire die naheliegendste und grundsätzlich empfehlenswerte Wahl bei einem Wechsel. Zusammengefasst sind folgende Gründe ausschlaggebend, jetzt den Wechsel von FireWire vorzubereiten: Die Hardware wird teurer und immer schwieriger zu beschaffen. Dies liegt daran, dass FireWire im Endverbraucher-Markt für PC-Hardware keine Rolle mehr spielt. Änderungen in der Software oder der Übergang zu einem anderen Betriebssystem machen einen Wechsel notwendig. So wird in Windows 8 kein natürlicher Support von FireWire mehr geleistet, während USB 3.0 Host Controller ohne jegliche Treiberinstallation sofort nutzbar sind. Die Bandbreite reicht nicht mehr aus, um aktuelle und vor allem zukünftige Anforderungen an das Vision-System wie z.b. höhere Framerate, höhere Auflösung oder ein anderes Pixel-Format abzudecken. Die Einsparungen im Gesamtsystem rechtfertigen den einmaligen Integrationsaufwand durch niedrigere Herstellkosten. Eine Beispielrechnung wird unter Punkt 4 erläutert. 1 FireWire wird in diesem White Paper immer synonym für IEEE 1394a und IEEE 1394b verwendet. 1

2 2. Detaillierter Vergleich von FireWire und USB3 Vision Die nachfolgende Tabelle fasst die wichtigsten technischen Eigenschaften beider Interfaces zusammen. Daraus wir deutlich, dass USB 3.0 und der USB3 Vision Standard einige Vorteile haben, die FireWire nicht bieten konnte. Dies ist zum Beispiel der Datenpaket-Resend-Mechanismus, der es ermöglicht auch bei kleinsten Fehlern zwischen den Bilddaten das verloren gegangene Paket wieder anzufordern. Die große Bandbreite hilft dabei natürlich. Dieser Mechanismus ist vor allem dann stabil und vorteilhaft, wenn die Kamera über einen internen Frame Buffer verfügt (die Basler ace USB 3.0 hat 56 MB), der Daten für einen gewissen Zeitraum zwischenpuffern kann. Stecker Kabel IEEE 1394b Definierte Stecker Max. 4,5m lt. Spezifikation USB3 Vision Definierte Stecker, optionale Verschraubung Keine maximale Kabellänge definiert* Hubs Nicht industrietauglich Industrietauglich Kamerasteuerung Via DCAM** Via GenICam Übertragungstyp Isochron (ohne resends) Bulk (garantierte Übertragung, inkl. resends) Echtzeitfähigkeit: Spricht man über die Echtzeitfähigkeit von Vision-Systemen, sind meist verschiedene Stellen im System gemeint, wo Latenzzeiten und zeitlicher Jitter auftreten können. Die Latenzzeit beinhaltet die gemittelte absolute Zeit, während mit Jitter die zeitliche Variation von jedem gleichen Prozessschritt zum nächsten gleichen Prozessschritt gemeint ist. Der zeitliche Jitter ist also der Wichtigere, um deterministisch vorhersagen zu können, wann ein nächster Prozessschritt passieren kann, der von einem vorherigen unbedingt abhängt. Das nachfolgende Schema verdeutlicht den Zusammenhang zwischen zeitlichem Jitter und Echtzeitfähigkeit, mittels Unterteilung nach Kamera und PC-Seite. Drei verschiedene Punkte wurden dabei definiert. Bandbreite 64MB/s (Einzelkamera) 350MB/s (über 400MB/s möglich)*** Host received +1 received Strom 8 33V; 1.5A 5 V; 900mA Latency & Jitter Siehe Grafik Siehe Grafik Camera exposure readout +1 exposure +1 readout * Der Standard definiert die Signalqualität und Spannungsabfallanforderungen an ein Kabel. Deshalb sollten Kabel immer standardkonform getestet sein. ** Basler IEEE 1394 Kamerasteuerung basierte bereits auf GenICam. *** Test-Setup mit Basler Kamera (aca uc) und Intel Ivy Bridge Host Controller. t 1 t Latency t 2 t 3 j 1 j 2 j 3 j Jitter Software Trigger Zusätzlich sollen hier noch zwei wichtige Eigenschaften im Detail verglichen werden: CPU-Last und die Echtzeitfähigkeit. CPU Last Vergleich: Auch bei der Betrachtung der CPU ist USB 3.0 richtig gut. Selbst bei Datenraten über 350MB/s wird die CPU kaum in Anspruch genommen. Dies liegt am Direct Memory Access von USB 3.0 auf dem Host-Rechner. Dabei werden schon vor der Bildübertragung Blöcke reserviert, damit der Mechanismus ohne einen Kopierprozess auskommt. Auch der entstehende Overhead ist dabei sehr gering. Das heißt, zwischen Brutto- und Nettodatenrate ist nur ein geringer Unterschied. Der folgende CPU-Last Vergleich auf einem Testrechner zeigt die sehr gute Performance: Nun wurden Messungen der Echtzeitfähigkeit an einem Testrechner 2 durchgeführt. Dies sind die Durchschnittswerte von Zyklen. Sie zeigen, dass im Sinne der Echtzeitfähigkeit USB 3.0 das bessere Interface ist 3. 2 Mit folgender Spezifikation: HPZ200, Win7, I5 650@3,2GHz, 4GB RAM 3 Werte stellen den Jitter in positiver und negativer Richtung der durchschnittlichen Latenzzeit dar. 2

3 3. Was ist beim Wechsel zu beachten: Hardware und Software In diesem Kapitel wird der Integrationsaufwand für den Wechsel von FireWire auf USB 3.0 genauer betrachtet. Dabei soll grob nach Aufwand für die Hardware- Anpassungen und Aufwand für die Software- Integration unterschieden werden. Hardware-Anpassungen: Beispielhaft betrachtet wird ein Ein-Kamera-System für Objektinspektion. Dabei ist die gesamte Mechanik auf dieses Objekt eingerichtet. Dies bedeutet, dass die Abstände berechnet und das Objektiv für das Sensorformat und die Auflösung passend ausgewählt wurden. Evtl. kommt noch eine ganz spezifische Beleuchtung hinzu. Zum Objektiv passend ist wiederum die Kamera montiert. Unter Umständen wirkt die Kameragröße dabei beschränkend. Der hintere Teil des Setups gestaltet sich meist etwas einfacher: Die Kamera ist mit einem Firewire-Kabel mit dem PC verbunden, der entweder eine PCIexpress Einsteckkarte hat oder am Mainboard direkt Anschlüssse für das Firewire-Kabel besitzt. Für eine präzise Triggerung wird ggf. noch ein Kabel für die Hardware-Triggerung an der Kamera benutzt. IEEE1934-Kabel Soll nun dieses Setup mit USB 3.0 ausgestattet werden, dann könnte man mit minimalem Änderungsaufwand versuchen, den gleichen Sensor auch auf einer USB 3.0-Kamera auszuwählen. Dies hätte den großen Vorteil, dass der gesamte optische Aufbau so beibehalten werden könnte. Dies ist insbesondere für häufig eingesetzte und hochwertige CCD-Sensoren der Fall, die auch noch einen Performance-Vorteil durch schnellere Geschwindigkeit auf USB 3.0 mit sich bringen. Sollte der identische Sensor nicht zu finden sein, so wäre zumindest eine gleiche oder ähnliche Sensorgröße und Empfindlichkeit von Vorteil. Basler bietet mit seinen USB 3.0-Kameras eine breite Auswahl an Sensoren an, um möglichst den passenden zu finden. Die Gehäusegröße der USB 3.0-Kamera sollte ähnlich, aber keinesfalls größer als die bisher verwendete FireWire-Kamera sein und idealerweise sollte die Kamera das gleiche Befestigungsschema besitzen. So wären die Aufwendungen im mechanischen Teil sehr gering. Natürlich muss auf PC-Seite das Kabel und entweder die komplette PC-Hardware (was sich bei sinkenden Einkaufskosten auch lohnen kann) oder die PCIexpress Karte getauscht werden 4.Insgesamt können einmalige Kosten für alle Hardware-Änderungen in überschaubarem Rahmen gehalten werden. Langfristig wird neuere PC-Hardware für die Materialkosten pro System vermutlich sogar einen Preisvorteil haben. Kamera Sensor Beleuchtung Objektiv Abstand zum Sensor PC Sensor mit gleicher Empfindlichkeit und Sensorgröße Software-Anpassungen: Die Integrationsaufwände für die Software können deutlich stärker variieren. Dabei lassen sich zwei Extreme unterscheiden: Variante 1: Man verwendet eine proprietäre, auf DCAM basierende Software-Umgebung. Diese proprietäre Software unterstützt nur DCAM-kompatible Kameras und lässt sich nicht ohne Aufwand für Kameras mit neueren Interface-Standards wie z.b. USB3 Vision verwenden. Somit muss die Software-Schnittstelle auf den GenICam Standard hin neu programmiert werden. Basler ace Sensor Beleuchtung Objektiv USB 3.0-Kabel Abstand zum Sensor wie oben PC Die Basler pylon Camera Software Suite bietet hierfür ein umfangreiches kostenfreies Software-Komplettpaket mit einem sehr leistungsfähigen Software Development Kit (SDK), mit dem auch wenig erfahrene Software-Entwickler die Portierung von DCAM nach GenICam problemlos bewältigen. Die gute Nachricht hierbei: Wurde die Portierung nach GenICam einmal durchgeführt, ist man auch für andere aktuelle und künftige Machine Vision Software-Schnittstellen gerüstet, denn GenICam ist der Standard, dem alle Interface-Technologien genügen müssen! 4 Es sollte darauf geachtet werden, dass je nach Verwendung ausreichend Bandbreite am PCIexpress-Bus vorhanden ist. So ist beispielsweise eine USB 3.0 PCIexpress Karte mit 1 Lane beschränkt auf 250MB/s, wenn sie in einen PCIexpress Version 1.0/1.1 Slot gesteckt wird. 3

4 Variante 2: Man nutzt eine GenICam-basierte Softwareumgebung, bei der nur leichte Anpassungen vorgenommen werden müssen. Idealerweise bringt diese Softwareumgebung mit einem Update alle Treiber für USB3 Vision und die Ansteuerung der Kameras mit sich. Das ist zum Beispiel bei der Basler pylon Camera Software Suite oder bei vielen Image Library Herstellern der Fall. Das nachfolgende Schema verdeutlicht den Aufbau und den Inhalt der pylon Camera Software Suite. Kameraherstellers 5. Von diesem Kamerahersteller wird auf ein Basler USB 3.0-Modell mit dem gleichen Sensor gewechselt. Dafür sind dann hauptsächlich Aufwendungen im Bereich Software notwendig, um die Software-Schnittstelle an das neue Kamera- Interface anzupassen. Ein kleinerer Anteil entfällt zusätzlich auf die Hardware, um die Kamera zu befestigen und USB 3.0 mit Kabel und Ports zu installieren. Durch die Verwendung des gleichen Sensors sind keine Anpassungen an der Optik, Maschinenmechanik oder Beleuchtung notwendig. Twain Direct Show Applications Viewer Tools Common APIs (C++,.NET, C, VB6) Der Vergleich zeigt, dass schon im ersten Jahr der Break Even Point erreicht wird. Ab dem zweiten Jahr sind Einsparungen im größeren fünfstelligen Bereich möglich. Das Beispiel basiert auf einer verbauten Anzahl von 100 Kameras. Ein Break Even wäre damit schon innerhalb des ersten Jahres möglich. Die Kosten für Kabel und Hardware wurden nicht betrachtet, wobei auch hier Einsparungen zu erwarten sind (USB 3.0- Hardware- Setups sind tendenziell 20% günstiger). GigE Vision Filter Driver GigE Vision Performance Driver IEEE1394 Driver Camera Link Beispielrechnung in FireWire-Kamera mit ICX 274 Sensor ace USB 3.0-Kamera mit ICX 274 Sensor 4. Betriebswirtschaftliche Betrachtung: Wann lohnt sich der Wechsel? Das folgende Rechenbeispiel stellt dar, wie sich der Wechsel auf USB 3.0 rein aus Beschaffungssicht ebenfalls lohnen kann. Als Grundlage für dieses Beispiel dient hier ein Kameramodell eines anderen Einmalkosten Software- Anpassungen (2 Mannmonate) Einmalkosten Hardware- Anpassungen (4 Mannwochen) Einmalkosten Logistik/ Stücklistenanpassung und Sonstiges Listenpreis Kamera Einkaufskosten für Kameras pro Jahr Einsparungen Jahr Einsparungen Jahr Einsparungen Jahr Hinweis: Bei Wechsel von einer Basler FireWire-Kamera auf eine Basler USB 3.0-Kamera ist der Wechsel sogar noch einfacher, insbesondere wenn die Basler pylon Software bereits verwendet wird siehe dazu auch Punkt 3. Dabei wäre der Software-Integrationsaufwand sehr niedrig. 4

5 Autor Kontakt René von Fintel ist verantwortlich für die Basler ace Kameraplattform und koordiniert die Markteinführung neuer Technologien wie USB3 Vision. Nach seinem Abschluss in Wirtschaftsingenieurswesen und Betriebswirtschaft arbeitete René acht Jahre lang im Vertrieb und Marketing eines bekannten deutschen Unternehmens der Medizintechnologie. René von Fintel Senior Product Manager Tel Fax An der Strusbek Ahrensburg Deutschland Basler ist ein führender Entwickler und Hersteller von hochwertigen digitalen Kameras für Anwendungen in Industrie, Videoüberwachung, Medizin und Verkehr. Die Produktentwicklung wird von den Anforderungen aus der Industrie gesteuert. Die Kameras bieten einfache Integration, kompakte Größen und ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis. Basler verfügt über 25 Jahre Erfahrung im Bereich der Bildverarbeitung und entwickelt und produziert seit 15 Jahren qualitativ hochwertige digitale Kameras. Das Unternehmen beschäftigt mehr als 350 Mitarbeiter an seinem Hauptsitz in Ahrensburg und an Standorten in den USA, Singapur, Taiwan, China und Korea. Informationen zu Haftungsausschluss und Datenschutzerklärung finden Sie unter 09/2013 Germany, Headquarters Tel Fax USA Tel Fax Asia Tel Fax