Während der Bildverarbeitungsmesse 'Vision 2011' waren bereits erste Produkte mit der neuen Schnittstelle USB 3.0 zu sehen. Das Interesse der BV-Branche kommt nicht von ungefähr: Verspricht der Nachfolger von USB 2.0 mit seiner theoretischen Datenrate von 5 GBit/s auf dem Kabel doch immerhin Netto-Datenübertragungsraten bis zu 400 MByte/s. Und: Wie bei USB 2.0 ist in der Regel keine Bilderfassungskarte im System nötig, da viele PC-Systeme und Laptops über integrierte USB-3.0-Schnittstellen verfügen. In Kombination mit einem relativ günstigen Preis wird der Einsatz der USB-3.0-Technologie für bestimmte Einsatzfälle von Bildverarbeitungssystemen daher hochinteressant.

Aber: Die 2011 vorgestellten und seitdem eingeführten USB-3.0-Kameras implementieren proprietäre Protokolle für die Datenübertragung und entsprechen somit nicht dem Vision-Standard für USB 3.0. Der Grund dafür ist einfach: Der auf dem im Massenmarkt eingesetzten Standard USB 3.0 aufbauende Machine-Vision-Standard 'USB3 Vision' ist noch nicht final verabschiedet, so dass bis dato keine Bildverarbeitungskomponente diesem Standard entsprechen kann. Derzeit ist geplant, Version 1.0 des speziell für die Bildverarbeitung angepassten Standards USB3 Vision bis zur im November 2012 stattfindenden Vision finalisiert zu haben. An der dazu erforderlichen Standardisierungsarbeit unter dem Dach der Automated Imaging Associa­tion (AIA) beteiligt sich eine Reihe wichtiger Player der Branche, um die künftige Marktakzeptanz von USB3 Vision sicherzustellen.

Aller Voraussicht nach wird USB3 Vision ein 'Standard on the Wire' – das heißt, wie schon bei GigE Vision ist keine herstellerspezifische Software zum Aufbau eines USB3-Vision-Systems nötig. Die Firmware der Kamera wird nicht zur Laufzeit vom Host nachgeladen, sondern muss bereits in der Kamera vorliegen. Somit steht auch der Integration in Embedded-Systeme, die nicht Windows- oder Linux-basiert sind, nichts im Weg.

Datenstrom via Bulk-Transfer

USB3 Vision setzt auf eine komplette GenICam-Integration: So bringen die Kameras ihr XML-basiertes Device Description File mit, und das Protokoll zur Steuerung der Kamera ist das ebenfalls in GenICam enthaltene GenCP (Generic Control Protocol), das ursprünglich für CameraLink-Kameras entwickelt wurde. In der ersten Version von USB3 Vision wird der Datenstrom über einen Bulk-Transfer realisiert. Dies hat zwar zur Folge, dass keine Bandbreiten reserviert werden können (wovon Applikationen mit vielen Kameras wiederum profitieren); der USB-Bulk-Transfer löst jedoch das komplette 'Packet Resend'-Problem von GigE Vision, da die Datenübertragung bereits im USB-Protokoll gesichert ist. Bei GigE Vision hingegen ist die Übertragungssicherheit Teil der Implementierung des GigE-Vision-Protokolls. Der USB-Bulk-Transfer vereinfacht die Integration somit sowohl beim Host als auch beim Device. Das Standardisierungskomitee behielt sich jedoch vor, in späteren Versionen eine Alternative mit isochronem Transfer zu integrieren.

Ein weiterer Vorteil der USB-3.0-Schnittstelle ist, dass eine Stromversorgung der mit ihr ausgestatteten Kameras mit bis zu 1,5 A bei 5 V möglich ist. Damit ist die Technologie ohne größere Probleme auch auf Laptops einsetzbar, die die USB-3.0-Schnittstelle heute oft schon mitbringen. Wie bei GigE Vision lassen sich allerdings deutliche Performance-Unterschiede bei den auf dem Markt erhältlichen Komponenten feststellen. Der Standard USB3 Vision definiert zudem einen Stecker-Standard mit der Möglichkeit der Arretierung durch Schrauben und verbessert so die Industrietauglichkeit der Technologie.

Das Dilemma mit der Kabellänge

USB-3.0-Kabellängen bis zu 7 m werden derzeit im industriellen Umfeld getestet. Mit aktiven Komponenten scheinen Kabellängen bis 15 m realisierbar zu sein.

© Stemmer Imaging

Ein nicht zu vernachlässigender Nachteil von USB 3.0 ist die beschränkte Kabellänge von nur wenigen Metern. Nach derzeitigem Stand ist sicherlich mit einer Kabellänge von 3 m zu rechnen. Längere Kabel von bis zu 7 m werden momentan im indust­riellen Umfeld getestet, sind aber bis dato nicht freigegeben. Mit aktiven Komponenten scheinen Kabellängen bis 15 m realisierbar zu sein. Letztlich steht zu erwarten, dass sich größere Strecken – wie bei CameraLink – mit Hilfe sogenannter Extender überbrücken lassen. Abhilfe könnten in Zukunft außerdem faserbasierte Lösungen für USB 3.0 schaffen – wobei sich erst noch zeigen muss, inwieweit dieses Konzept auch im industriellen Umfeld praktikabel ist.

Generell existiert derzeit noch sehr wenig Praxiserfahrung mit USB 3.0 im industriellen Umfeld. Klar ist derzeit nur, dass erste Tests mit dieser Technologie sehr vielversprechend ausgefallen sind. Inwieweit sich das kostengünstige Interface USB3 Vision nach der Festschreibung des Standards dann in der Realität bewährt, wird sich frühestens im Herbst dieses Jahres erweisen – zumal mit CoaXPress ein technologischer Konkurrent existiert. CoaXPress ist besser und anders skalierbar als USB3 Vision und erlaubt deutlich höhere Datenübertragungsraten von theoretisch 6,25 Gbit/s pro Kabel, wobei derzeit bis zu vier Kabel eingesetzt werden können, die dann also 25 Gbit/s erlauben. Zudem lassen sich konfigurationsabhängig Kabellängen bis maximal 100 m realisieren. Allerdings erkaufen sich Anwender diese Vorteile durch die Einschränkung, dass bei CoaXPress immer ein Framegrabber nötig ist.

Auch der inzwischen weit verbreitete Standard GigE Vision bleibt technisch nicht stehen. So rückt der Schritt hin zu 10G Base-T nun in erreichbare Nähe, da sich die Lösung eines der Hauptprob­leme von 10G Base-T – die Wärme-Entwicklung – abzeichnet: Neue, gerade auf den Markt gekommene Chips reduzieren die Stromaufnahme deutlich und ermöglichen Kabellängen von rund 30 m. Damit bleibt GigE Vision selbst bei den im Vergleich zu USB 3.0 höheren Kosten attraktiv und für die Zukunft gerüstet.

Die Welt der Datenübertragungsstandards in der Bildverarbeitung wird ihre Vielfalt also voraussichtlich bewahren. Gleichzeitig ist die Branche mit den existierenden Standards auf dem besten Wege, die einzelnen Technologien zu abstrahieren, um so einen technologieübergreifenden Standard wie GenICam zu realisieren. So kommt beispielsweise das GenApi-Modul aus GenICam nicht nur bei GigE Vision, für das es ursprünglich entwickelt wurde, zum Einsatz, sondern ebenso bei Firewire und CameraLink sowie künftig auch bei USB3 Vision. Der Weg weist in Richtung eines vereinheitlichten Datenübertragungsstandards.

Autor: Rupert Stelz ist Gruppenleiter Bilderfassung bei Stemmer Imaging in Puchheim.