Standard Warum USB3 Vision wichtig für den Bildverarbeitungsmarkt ist

Autor / Redakteur: Horst Mattfeldt, Uwe Hagmaier, Stefan Battmer, Ulli Lansche* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Zur VISION 2009 haben die ersten Kamerahersteller USB 3.0 Machbarkeitsstudien präsentiert. Zur VISION 2011 wurden die ersten fertigen USB 3.0 Kameras vorgestellt, während parallel ein Kick-off-Meeting zum kommenden Standard USB3 Vision stattfand. Aber wie passt das zusammen? Können einige Hersteller hellsehen oder gehen diese Hersteller ihre eigenen Wege? Warum wird dann überhaupt ein USB Vision Standard benötigt? Experten von Matrix Vision bringen Licht ins Dunkel und zeigen, warum USB3 Vision wichtig für den Bildverarbeitungsmarkt ist.

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Matrix Vision‘s zukünftige USB3 Vision Kamerafamilie mvBlueFOX3
Matrix Vision‘s zukünftige USB3 Vision Kamerafamilie mvBlueFOX3
(Bilder: Matrix Vision)

Eines vorneweg: Alle Bildverarbeitungs (BV)-Kamerahersteller sind sich in dem Punkt einig, nämlich dass die für 2012 angekündigten Sensoren schnellere Kameras mit höheren Auflösungen ermöglichen und dadurch auch größere Bandbreiten zwingend erforderlich sind. USB 3.0 bietet im SuperSpeed-Modus eine Symbolrate von 5000 Mbit/s an und hievt damit die nächste Generation der erfolgreichen Standardschnittstelle auf die Ebene der anderen aktuellen und zukünftigen BV-Consumer-Schnittstellen (siehe Tabelle).

Aktuelle Marktverbreitung

Laut AIA Marktstudie von 2010, hatten digitale Kameras einen Marktanteil von knapp 50 Prozent im Machine Vision Sektor. Von diesen waren wiederum ca. 40 Prozent FireWire-Kameras (IEEE1394), 30 Prozent GigE Vision Kameras, 16 Prozent CameraLink Kameras und 14 Prozent Kameras mit anderen Schnittstellen, wobei davon ausgegangen werden kann, dass es sich hierbei hauptsächlich um USB 2.0 Kameras handeln dürfte. Ohne Frage dürfte die Verbreitung von USB-Kameras in anderen Bereich der Bildverarbeitung wie der Medizin um Einiges höher sein.

Warum USB 3.0-Lösungen?

Es fällt auf, dass trotz der hohen Verfügbarkeit der USB-Schnittstelle, diese nur einen unterproportionalen Marktanteil erobern konnte. Viele Hersteller führen dies auf den fehlenden Standard zurück. Belegt werden kann dies ganz nüchtern durch die Marktzahlen: die GigE Vision-Schnittstelle und deren Kameras verzeichnen aktuell die größten Wachstumsraten – kein Ende in Sicht.

Es stellt sich also die Frage, warum überhaupt USB 3.0-Lösungen? Der Bildverarbeitungsmarkt ist sehr heterogen und daher gibt es auch Einsatzbereiche für USB 3.0. Die kleinen USB-Kameras eignen sich für Anwendungen mit kurzen Distanzen, wie dies in der Medizintechnik oder Mikroskopie der Fall ist, ebenso für einfach skalierbare Mehrkameralösungen, um nur einige Beispiele zu nennen. Gerade für letztere hat der USB 3.0 Standard durch bidirektionale Kabel und das Wegfallen des Geräte-Pollings ideale Voraussetzungen geschaffen und ist folgerichtig eine perfekte Alternative zu FireWire. Obendrein macht die hohe Verfügbarkeit die USB-Schnittstelle sehr attraktiv. Schätzungen gehen davon aus, dass USB 3.0 in den nächsten zwei Jahren bei den meisten Systemen „Out-of-the-box“ mit dabei ist.

Warum ein USB 3.0 Vision Standard und was sind die Vorteile?

Kurz gesagt, ohne Standards kocht jeder Kamerahersteller „sein eigenes Süppchen“ und viele Vorteile, welche die Endkunden beispielsweise durch den GigE Vision Standard kennen und schätzen lernten, würden auf der Strecke bleiben. Um dies zu verhindern, haben sich mehr als 20 Unternehmen zusammengefunden, um die Weichen für eine erfolgreiche Zukunft der USB 3.0 Schnittstelle durch einen gemeinsamen USB3 Vision Standard zu stellen.

Deren zusammen genommenes Know-how ist immens, auch weil die meisten schon bei GigE Vision maßgeblich beteiligt waren. Das Einbeziehen beispielsweise von Zubehör-Herstellern (z.B. bei Kabeln) zeigt, dass an alles gedacht wird.

Im Gegensatz zu GigE Vision wird dieses Mal auch die Mechanik, etwa wie verschraubbare Kabelanschlüsse auszusehen haben, Teil des Standards - und somit auch die Schnittstelle insgesamt robuster.

Schnittstelle zu GenICam

Ansonsten definiert USB3 Vision wie GigE Vision eine Transport-Schicht, welche das Finden eines Gerätes (Device Detection), das Konfigurieren (Register Access), das Streamen der Daten (Streaming Data) und die Behandlung von Ereignissen (Event Handling) regelt und stellt eine Schnittstelle zu GenICam her.

GenICam wiederum abstrahiert den Zugang zu den Features der Kamera zum Benutzer hin, die durch die „Standard Feature Naming Convention“ (SFNC) herstellerübergreifend die gleiche Bezeichnung und das gleiche Verhalten haben.

Abgrenzung der Anbieter untereinander

Zusätzlich erlauben spezifische Features außerhalb der SFNC eine Abgrenzung der Anbieter untereinander (Quality of Implementation). Beispielsweise bietet Matrix Vision bei der GigE Vision Kamera mvBlueCOUGAR-X kameraspezifische Features wie automatisches Entrauschen von Bildern, Flat-Field-Korrektur und Logikgatter an. Diese können auch von GenICam/GigE Vision basierenden Treiber-/Software-Lösungen anderer Anbieter problemlos verwendet werden.

USB3 Vision – einstecken und funktionieren

Zwar gibt es mit GenICam GenTL schon von GenICam selbst eine standardisierte Transportschicht, jedoch ohne Treiberunterstützung für Embedded Systeme. Zusätzlich, und das ist die Krux bei USB 2.0 und bei den aktuell erhältlichen USB 3.0 Sonder-Lösungen, ist ein proprietärer Treiber zwischen Host und Gerät nötig.

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Dies ist in letzter Konsequenz weder von Kunden (siehe aktuelle Markt-Situation von USB 2.0), die nicht an einen Hersteller gebunden sein wollen, noch von Herstellern von Software-Bibliotheken gewünscht. Letztere beklagen, dass Kunden bei einem Systemabsturz nicht unterscheiden können, ob es am proprietären Treiber oder an der Software-Bibliothek lag.

Dies ist ein weiterer Grund, weshalb USB3 Vision wie alle wichtigen Standards „On-the-wire“ definiert ist (Bild 2). Die Vorteile kennt jeder: USB-Sticks, -Mäuse oder -Festplatten werden einfach eingesteckt und funktionieren – Plug & Play eben.

Auch für Hersteller von BV-Softwarebibliotheken wird es einfacher. Sobald die Software USB3 Vision unterstützt, kann diese mit jeder USB3 Vision kompatiblen Kamera verwendet werden. Somit entfallen die früher noch notwendigen proprietären Anbindungen der Hardware- oder Softwarehersteller. Für den Anwender entsteht ein breites Software-Angebot und die Anbindung der Software kann kaum komfortabler sein.

* Horst Mattfeldt, Direktor Standardprodukte; Uwe Hagmaier, Leiter Produktentwicklung; Stefan Battmer, Entwickler; Ulli Lansche, Technischer Redakteur; alle Matrix Vision, Oppenweiler

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