Zukünftiger Standard für die Bildverarbeitung?

Alle genannten Technologien haben gemeinsam, dass sie günstige und millionenfach auch außerhalb der Bildverarbeitung eingesetzte Komponenten für die Integration bereitstellen. Von der Mitnutzung dieser Standardtechniken profitiert auch die IBV, zuletzt durch Einführung von USB3.0. Der speziell für die Bildverarbeitung entwickelte Standard CameraLink ist wegen des dafür notwendigen Framegrabbers und speziellen Kabeln vergleichsweise teuer. Deswegen wird er inzwischen durch die schnelleren Schnittstellen HSLink, HSLink CX4 und CoaXPress ergänzt. Bei allen genannten Techniken müssen die übertragenen Bildinformationen zwischengespeichert und danach in den Hauptspeicher für die weitere Verarbeitung kopiert werden. Zur Optimierung dieser Schritte hat Ximea mit der Currera-R eine intelligente PC-Kamera entwickelt, die einem \’zero copy paradigma\‘ folgt. Dabei werden die vom integrierten Kameramodul aufgenommenen Bilddaten direkt über den PCI-Express-Bus in den Hauptspeicher des PC geschrieben. Thunderbolt: 25 Megapixel mit 50fps Intel und Apple haben Anfang 2011 offiziell die Thunderbolt-Schnittstelle als neuen Industriestandard vorgestellt. Sie ist mittlerweile auf Apple- und Windows-Systemen verfügbar. Thunderbolt wird durch den Einbau von Standard-Controllerbausteinen in den zu unterstützenden Geräten integriert. Die Schnittstelle wird in aktuellen Implementierungen mit Übertragungsraten von 10Gbit/s bidirektional, also parallel in beide Richtungen, angeboten. An einen Thunderbolt-Anschluss können bis zu sechs Peripheriegeräte in Reihe geschaltet und mit einem synchronen Zeittakt versorgt werden, und dies ohne Leistungsverlust. Um die angeschlossenen Geräte mit Strom zu versorgen, liefert Thunderbolt bis zu 10W über den Bus. Durch eigene technische Neuerungen bietet Thunderbolt gegenüber den oben beschriebenen Standard-Kommunikationsinterfaces weitere Vorteile, die für die Bildverarbeitung erheblich sind. Der Thunderbolt-Controller hat direkten Kontakt zum PCI-Express Bus im Computer und bildet dessen Protokolle und Geschwindigkeit nach außen ab. Durch diese Anbindung können Bilddaten direkt in den Hauptspeicher geschrieben werden, was geringe Latenzzeiten und Taktzittern zur Folge hat. Wie bei der Currera-R wird damit eine angeschlossene Kamera quasi Bestandteil des Rechners. Auch die Softwareumgebung auf der Computerseite wird schlanker, da zusätzliche Protokolle, Puffer und Softwarestacks entfallen und mögliche Treiberprobleme entschärft werden. Es werden Übertragungsraten von Kamerasystemen möglich, die bisher mit Standard-Schnittstellen-Komponenten unrealistisch waren. Beispielsweise können dann 25 Megapixel mit 50fps oder 1 Megapixel mit 1.000 bis 2.000fps übertragen werden. Auch andere Leistungsdaten sprechen für Thunderbolt als zukünftige Schnittstelle für die industrielle und wissenschaftliche Bildverarbeitung. Thunderbolt-Controller haben nur ca. 1W Leistungsaufnahme im Gegensatz zu ca. 6-7W bei 10GigE. Für das Temperaturmanagement in Kameras ist ein so deutlicher Unterschied entscheidend. Die Latenzzeiten werden gegenüber aktuellen Techniken dramatisch verringert. Die Zeit zur Übertragung der jeweils ausgelesenen Bilddaten vom Bildsensor in den Hauptspeicher und die Übermittlung von Steuersignalen liegen im Bereich von Nanosekunden. Allein der Protokoll-Overhead aktueller Techniken wie GigE oder USB liegt bei Micro- bis Millisekunden. Durch die direkte Adressierbarkeit der Kamera-Register können eingestellte ROIs selektiv ausgelesen werden, sofern der Bildsensor diese Möglichkeit unterstützt. Derzeit werden Thunderbolt-Kabel auf Kupferbasis angeboten. Diese Kabel haben empfohlene Maximallängen von ca. 3m, was die Nutzbarkeit vor allem in der IBV einschränkt. Da die Kupferkabel voraussichtlich schon dieses Jahr von Glasfaserkabeln ergänzt werden, sind wesentlich größere Kabellängen realisierbar. Mittlerweile sind auch Motherboards mit integrierten Thunderbolt-Schnittstellen verfügbar. Fazit Ximea wird seine Planungen und Konzeptstudien für zukünftige Kameras in Richtung Thunderbolt vorantreiben und geht davon aus, dass diese Schnittstelle geeignet ist, in Zukunft einer der entscheidenden Kommunikationsstandards für die Bildverarbeitung zu werden.