Comparação entre as interfaces de última geração

Além das especificações, uma comparação entre as interfaces de última geração

Este artigo fornece uma visão geral e uma comparação dos padrões Ethernet, USB, Camera Link e CoaXpress, bem como apresenta o Thunderbolt3 como uma interface para observação. Essas interfaces de câmera ajudaram a moldar o crescimento da indústria de visão de máquina e continuarão a fazê-lo no futuro.

10 Gigabit Ethernet

A Ethernet existia dez anos antes de sua adoção como o padrão IEEE 802.3 em 1983. Desde então, sua confiabilidade, flexibilidade e velocidade cada vez maiores tornaram essa tecnologia verdadeiramente onipresente. A partir de 2016, uma das duas câmeras de visão de máquina vendidas foi a Gigabit Ethernet (GigE).

A velocidade aprimorada e a latência mais baixa da 10 Gigabit Ethernet (10GigE) constituem os pontos fortes da GigE. Com 10Gbit/s de largura de banda, um 10GigE FLIR Oryx pode transmitir vídeo 4K60 de 12 bits descompactado em 60 metros em cabos baratos e prontamente disponíveis. A implementação de 10GBASE-T da 10 Gigabit Ethernet suportada pela FLIR Oryx usa o familiar conector RJ45 e cabos de cobre de par trançado.

O setor de TI adotou o 10GigE para uso em infraestrutura de rede. Com o apoio de empresas como a Apple e a Asus, está rapidamente ganhando força como interface de consumo. A adoção generalizada da 10 GigE promoveu um forte ecossistema composto por uma ampla gama de produtos de baixo custo e alto desempenho.

Uma versão revisada do padrão Power Over Ethernet (PoE) foi introduzida. O IEEE 802.3bt permite links PoE acima de 10 Gigabit, embora não tenha sido amplamente adotado. Atualmente, não há câmeras de visão de máquina PoE 10GigE disponíveis.

O 10GBASE-T suporta o protocolo PTP (IEEE 1588 Precision Time Protocol), que permite que câmeras como a FLIR Oryx sincronizem automaticamente seus relógios internos entre si e com outro hardware habilitado para Ethernet, sem a necessidade de supervisão pelo usuário.

USB 3.2

A especificação recentemente finalizada é a próxima grande revisão da interface popular. A USB 3.2 usa os dois lados de um conector Type-C para suportar dois links USB 3.1 em paralelo, permitindo velocidades de transferência de até 20 Gbit/s. As distinções entre a Geração 1 e a Geração 2 introduzidas com a transição da USB 3.0 para a USB 3.1 serão mantidas na USB 3.2.

As principais diferenças entre os links da Geração 1 e da Geração 2 incluem a taxa de sinalização, a eficiência da codificação e o comprimento máximo do cabo. A geração 2 duplica a taxa de sinalização de 5 Gbit/s para 10 Gbit/s, enquanto substitui a codificação 8/10b usada na Geração 1 por uma codificação 128/132b mais eficiente. Essa redução na sobrecarga da codificação significa que os links da Geração 2 suportam velocidades de transferência reais muito mais próximas da taxa de sinalização. Os links da Geração 1 fornecem 4 Gbit/s de rendimento no mundo real, enquanto os links da Geração 2 suportam até 9,7 Gbit/s.

O comprimento máximo do cabo dos links da Geração 1 é de cinco metros, enquanto os links da Geração 2 estão limitados a um metro. O comprimento curto do cabo da USB 3.2 Geração 2 provavelmente limitará sua adoção generalizada até que cabos ópticos ativos acessíveis sejam disponibilizados.

A combinação de números de vias USB e gerações introduz o potencial para confusão do consumidor. Uma interface USB 3.2 não será necessariamente mais rápida do que a USB 3.1. Mesmo se a codificação menos eficiente da USB 3.1 Geração 1 fosse duplicada, ainda assim seria cerca de 20% mais lenta do que uma conexão USB 3.1 Geração 2. Diferenças no comprimento máximo do cabo para cada geração significam que os usuários selecionam um cabo com um comprimento apropriado para a geração de sua interface.

A USB suporta acesso direto à memória (Direct Memory Access - DMA), que permite que os dados da imagem sejam transmitidos diretamente de uma câmera para a memória do sistema. Isso é ideal para aplicativos incorporados com largura de banda de memória e potência da CPU limitadas.

Fig. 1. Cronograma dos padrões USB e seu rendimento relativo

Thunderbolt3

A interface Thunderbolt ainda não viu uma absorção significativa na indústria de visão de máquina, mas a Thunderbolt3 pode mudar isso. Ela promete uma combinação útil de até 40 Gbit/s, facilidade de uso e conectores USB tipo C familiares. O Thunderbolt3 também suporta a especificação USB Power Delivery, permitindo a entrega de até 100W de energia. O atual limite de comprimento de cabo de 50 cm pode restringir a adoção dessa interface até que sejam disponibilizados cabos ópticos ativos confiáveis e acessíveis.

Embora a velocidade máxima de sinalização através de um cabo Thunderbolt3 seja de 40Gbit/s, o rendimento no mundo real será significativamente menor. A conexão PCIe 3.0 x4 entre hosts e dispositivos e seus PHYs fornece até 32 Gbit/s de largura de banda. A largura de banda restante é usada para transmitir sinais DisplayPort para monitores HD e UHD. A interface PCIe do PHY ativa o DMA no lado do host.

A Intel, que desenvolve e mantém a tecnologia Thunderbolt, anunciou recentemente que todos os seus novos chipsets suportarão a Thunderbolt3. Eles também flexibilizaram os requisitos de licenciamento para incentivar fabricantes terceirizados a adotar a interface. Os esforços da Intel para impulsionar a adoção da Thunderbolt3 criaram um ecossistema incomum de consumidor, no qual os hosts Thunderbolt3 estão amplamente disponíveis, mas os dispositivos não. Atualmente não há câmeras de visão de máquina Thunderbolt3.

CameraLink HS

O padrão CameraLink HS foi estabelecido em 2012. Ele aperfeiçoa a interface original do CameraLink com maior velocidade e maior flexibilidade de cabeamento. O padrão CameraLink HS adiciona suporte a vários tipos de cabeamento, permitindo que os usuários negociem a velocidade do comprimento do cabo. Os cabos caros e desajeitados associados à geração anterior desapareceram. A correção de erros de CRC e o reenvio de dados melhoram a confiabilidade da transmissão. Os erros de transmissão de bit único são automaticamente detectados e corrigidos. Para maior largura de banda em aplicações de alta velocidade, até oito cabos podem funcionar em paralelo.

Fig. 2. Resumo das opções de cabeamento disponíveis para o CameraLink HS

Apesar de suas melhorias, o CameraLink HS não é uma interface para o consumidor. Não suporta o DMA. Em vez disso, seu design envolve a transferência de dados de imagem para um FPGA o mais rápido possível. Antes de os dados de imagem do CameraLink HS serem transmitidos para um usuário, uma placa de captura de imagens os recebe e os monta, um requisito que adiciona custo e complexidade aos sistemas de visão. Componentes complexos em sistemas usando uma topologia de divisão de dados com vários PCs.

CoaXPress 2.0

A especificação CoaXpress 2.0, finalizada no início de 2017, oferece melhorias de desempenho e funcionalidade para suportar seu foco em aplicativos de alta velocidade. O CoaXpress usa a tecnologia que permite que o vídeo 4K60 através de HD-SDI aumente a velocidade de um canal de 6,25 Gbit/s para 12,5 Gbit/s. A essa velocidade, um cabo de 4 núcleos pode transmitir quatro gigabytes de dados de imagem da câmera para o host a cada segundo. A duplicação da velocidade máxima de uplink facilita o disparo em taxas acima de 500kHz. O CoaXpress 2.0 suporta transmissão de múltiplos destinos, permitindo que as câmeras enviem dados para uma placa de captura de imagens em vários PCs de host.

O CoaXpress 2.0 mantém o comprimento máximo do cabo de 40 m do CoaXpress padrão. Embora os cabos coaxiais de via única sejam baratos, o custo dos conjuntos de cabos de várias faixas e de uma placa de captura de imagens é rapidamente acrescido.

Inspeção óptica automatizada

A enorme diversidade de aplicações de Inspeção Óptica Automatizada (AOI) significa que não há uma interface ideal única.

Os processos de alimentação contínua, como impressão ou fabricação de filmes finos, exigem câmeras com taxas de quadros muito altas. A alta largura de banda oferecida pelas implementações de várias faixas do CoaXpress e do CameraLink HS é ideal para essas aplicações e as atende melhor que as câmeras de digitalização de linha. A capacidade de vários hosts do CoaXpress permite o processamento paralelo usando vários PCs.

Muitos sistemas de inspeção são limitados por outros fatores além da velocidade da câmera e da interface. Aplicações como inspeção de semicondutores em embalagens de nível de wafer são limitadas por processos mecânicos. Para essas aplicações, as altas taxas de quadros possíveis com o CameraLink HS e o CoaXpress não resultarão em melhorias significativas no desempenho do sistema, mas adicionarão custo e complexidade significativos. A velocidade, a facilidade de uso e o baixo custo de ciclo de vida da USB 3.2 e da 10 Gigabit Ethernet as tornam interfaces ideais para aplicações de inspeção.

Alguns sistemas de AOI fazem parte de peças maiores de maquinaria. Motores e outros equipamentos podem gerar interferência eletromagnética indesejada (EMI). A USB 3.2 e a Thunderbolt3 não se destinam ao uso em ambientes com grandes quantidades de EMI. Garantir a confiabilidade dessas interfaces em ambientes sujeitos a EMI requer o desenvolvimento de extensores ópticos ativos confiáveis e acessíveis.

A indústria 4.0 pode ser uma palavra de ordem, mas seu princípio subjacente de sistemas que operam em um controle consistente baseado em tempo, em vez de baseado em evento, representa uma grande mudança no design do sistema. O 10GigE é a única interface da próxima geração a suportar o protocolo PTP (Precision Time Protocol) do IEEE 1588, que permite a sincronização de câmeras com outros dispositivos habilitados para Ethernet. Os designers de sistemas estão adotando o PTP como uma especificação chave para a implementação futura dos princípios do Industry 4.0.

Digitalização 3D

Portátil

Os sistemas portáteis de digitalização 3D são dispositivos compactos alimentados por bateria. O baixo tamanho, o peso e o consumo de energia são fundamentais para o desenvolvimento de um produto de sucesso. A USB 3.2 e a Thunderbolt3 funcionariam bem para esta aplicação, onde o dispositivo seria menor do que qualquer limite de comprimento de cabo. Essas interfaces forneceriam largura de banda suficiente para suportar as resoluções necessárias para a densidade de nuvem de ponto alto e uma taxa de quadros alta o suficiente para uma boa velocidade de digitalização.

A USB 3.2 e a Thunderbolt3 proporcionam economia de espaço adicional, já que não exigem uma placa de captura de imagens separada. A USB Power Delivery pode ser útil para alimentar dispositivos adicionais, como iluminadores infravermelhos ou projetores de luz estruturados. Uma vasta gama de sistemas incorporados compactos e computadores de placa única suportam a USB. A expectativa é que essa tendência continue com a transição para a USB 3.2.

Formato grande

Os sistemas de formato grande para a digitalização de carros, aeronaves ou edifícios inteiros são geralmente portáteis e a facilidade de implantação e robustez são essenciais. O 10 Gigabit Ethernet é uma solução confiável que fornece a largura de banda para capturar nuvens de pontos de alta resolução. O comprimento máximo do cabo longo suporta longas linhas de base, permitindo a digitalização de alta precisão. Embora o Camera Link HS e o Coaxpress possam suportar os comprimentos de cabo típicos usados pelos aplicativos de digitalização 3D de formato grande, sua dependência das placas de captura de imagens aumenta o custo e a complexidade. Como esses sistemas são normalmente fixos, a velocidade adicional não proporcionaria nenhuma melhoria no desempenho.

Realidade virtual

A realidade virtual (VR) é um aplicativo exigente que requer duas ou mais câmeras rigorosamente sincronizadas. Os sistemas VR capazes de capturar imagens estéreo em seis graus de liberdade podem exigir 20 ou mais câmeras. Para sistemas compostos de módulos de câmeras individuais, essas devem estar o mais próximas possível umas das outras para minimizar o erro de paralaxe. O conector compacto Tipo-C que a USB 3.2 e o Thunderbolt3 usam é ideal neste aspecto. Os sistemas VR são tipicamente voltados para o consumidor. A facilidade de uso das interfaces USB, Thunderbolt e Ethernet as torna preferíveis ao CoaXpress e ao CameraLink neste espaço.

Os sistemas VR usados para conteúdo, como esportes, não capturam uma esfera inteira, já que apenas a ação no campo é de interesse. Esses sistemas normalmente consistem em menos câmeras de alta resolução. A grande dimensão dos locais esportivos típicos geralmente requer cabos mais longos. O suporte do 10GigE a vídeo de 4K60 não comprimido, cabos longos e sua simplicidade o tornam ideal para esta aplicação. Conversores de mídia óptica que suportam velocidades de transferência de 10 Gbit/s em distâncias maiores do que um quilômetro estão disponíveis.

Para sistemas de captura volumétrica de câmera lenta altamente especializados, a velocidade, a capacidade de comprimento do cabo e o suporte para sincronização de relógio baseada em PTP tornam o 10 Gigabit Ethernet uma boa opção, sendo o CoaXpress 2.0 uma opção viável em velocidades extremamente altas para aplicações científicas.