Comparación de interfaces de próxima generación

Más allá de las especificaciones, comparación de las interfaces de próxima generación

Este artículo proporciona una descripción general y una comparación de la próxima generación de los estándares Ethernet, USB, Camera Link y CoaXpress, e introduce Thunderbolt3 como una interfaz a tener en cuenta. Estas interfaces de cámara han ayudado a dar forma al crecimiento de la industria de la visión artificial y continuarán haciéndolo en el futuro.

Ethernet de 10 Gigabit

Ethernet existió por diez años antes de su adopción como el estándar IEEE 802.3 en 1983. Desde entonces, su confiabilidad, flexibilidad y velocidad cada vez mayor han hecho que esta tecnología sea verdaderamente omnipresente. Desde 2016, una de cada dos cámaras de visión artificial vendidas fue Gigabit Ethernet (GigE).

La velocidad mejorada y la latencia más baja de 10 Gigabit Ethernet (10GigE) se basan en las fortalezas de GigE. Con 10 Gbit/s de ancho de banda, una FLIR Oryx con 10GigE puede transmitir video 4K60 de 12 bits sin comprimir por 60 metros con cables de bajo costo y de fácil acceso. La implementación 10GBASE-T de 10 Gigabit Ethernet compatible con FLIR Oryx utiliza el conocido conector RJ45 y cables de pares trenzados de cobre.

La industria de TI ha adoptado 10GigE para su uso en la infraestructura de red. Con el apoyo de compañías como Apple y Asus, está ganando tracción rápidamente como una interfaz para el consumidor. La adopción generalizada de 10 GigE ha fomentado un ecosistema fuerte compuesto por una amplia gama de productos de bajo costo y alto rendimiento.

Se ha introducido una versión revisada del estándar Alimentación sobre Ethernet (PoE). IEEE 802.3bt habilita la PoE sobre enlaces de 10 Gigabit, aunque no ha sido ampliamente adoptado. Actualmente no hay cámaras de visión de 10GigE con PoE disponibles.

10GBASE-T soporta el protocolo de tiempo de precisión (PTP) de IEEE 1588, que permite que cámaras como la FLIR Oryx sincronicen automáticamente sus relojes internos entre sí y con otros dispositivos habilitados para Ethernet, sin supervisión del usuario.

USB 3.2

La especificación USB 3.2 finalizada recientemente es la siguiente revisión importante de la popular interfaz. USB 3.2 usa ambos lados de un conector tipo C para admitir dos enlaces USB 3.1 en paralelo, lo que permite velocidades de transferencia de hasta 20 Gbit/seg. Las distinciones entre la Generación 1 y la Generación 2 introducidas con la transición de USB 3.0 a USB 3.1 se mantendrán en USB 3.2.

Las principales diferencias entre los enlaces de Generación 1 y Generación 2 incluyen la velocidad de señalización, la eficiencia de codificación y la longitud máxima del cable. La Generación 2 duplica la velocidad de señalización de 5 Gbit/seg a 10 Gbit/seg, mientras que reemplaza la codificación 8/10 b utilizada en la Generación 1 con una codificación más eficiente de 128/132 b. Esta reducción en la sobrecarga de codificación significa que los enlaces de la Generación 2 admiten velocidades de transferencia del mundo real mucho más cercanas a la velocidad de señalización. Los enlaces de Generación 1 proporcionan 4 Gbit/seg de rendimiento en el mundo real, mientras que los enlaces de Generación 2 admiten hasta 9,7 Gbit/s.

La longitud máxima del cable de los enlaces de la Generación 1 es de cinco metros, mientras que los enlaces de la Generación 2 están limitados a un metro. La corta longitud de cable de USB 3.2 Generación 2 probablemente limite su adopción generalizada hasta que estén los cables ópticos activos asequibles estén disponibles.

La combinación de números de pistas USB y generaciones introduce la posibilidad de confusión entre los consumidores. Una interfaz USB 3.2 no necesariamente será más rápida que USB 3.1. Incluso si se duplicara la codificación menos eficiente de USB 3.1 Generación 1, aún sería un 20 % más lenta que una conexión USB 3.1 Generación 2. Las diferencias en la longitud máxima del cable para cada generación implica que los usuarios seleccionen un cable con una longitud adecuada para la generación de su interfaz.

USB admite el acceso directo a memoria (DMA), que permite que los datos de imágenes se transmitan desde una cámara directamente a la memoria del sistema. Esto es ideal para aplicaciones integradas con ancho de banda de memoria y capacidad de CPU limitadas.

Fig. 1. Cronología de los estándares USB y su rendimiento relativo

Thunderbolt3

La interfaz Thunderbolt aún no ha visto una aceptación significativa en la industria de la visión artificial, pero Thunderbolt3 puede cambiar esto. Promete una combinación útil de hasta 40 Gbit/s, facilidad de uso y los conocidos conectores USB tipo. Thunderbolt3 también admitirá la especificación de entrega de alimentación USB, lo que le permite entregar hasta 100 W de potencia. El límite de longitud de cable actual de 50 cm puede limitar la adopción de esta interfaz hasta que estén disponibles cables ópticos activos confiables y asequibles.

Si bien la velocidad máxima de señalización a través de un cable Thunderbolt3 es de 40 Gbit/s, el rendimiento en el mundo real será significativamente menor. La conexión PCIe 3.0 x4 entre anfitriones y dispositivos, y sus PHY, proporciona hasta 32 Gbit/s de ancho de banda. El ancho de banda restante se usa para transmitir señales DisplayPort para monitores HD y UHD. La interfaz PCIe de PHY habilita el DMA en el lado del anfitrión.

Intel, que desarrolla y mantiene la tecnología Thunderbolt, anunció recientemente que todos sus nuevos conjuntos de chips admitirán Thunderbolt3. También hicieron menos estrictos los requisitos de licencia para alentar a los fabricantes externos a adoptar la interfaz. Los esfuerzos de Intel para impulsar la adopción de Thunderbolt3 han creado un ecosistema de consumo inusual en donde los anfitriones con puertos Thunderbolt3 están ampliamente disponibles, pero los dispositivos no. Actualmente no hay cámaras de visión artificial Thunderbolt3.

CameraLink HS

El estándar CameraLink HS se estableció en 2012. Mejora la interfaz original de CameraLink con mayor velocidad y mayor flexibilidad de cableado. El estándar CameraLink HS agrega soporte para varios tipos de cableado, lo que permite a los usuarios cambiar la velocidad según la longitud del cable. Los cables caros e incómodos asociados con la generación anterior han desaparecido. La corrección de errores CRC y el reenvío de datos mejoran la confiabilidad de la transmisión. Los errores de transmisión de un solo bit se detectan y corrigen automáticamente. Para un ancho de banda adicional en aplicaciones de alta velocidad, se pueden ejecutar hasta ocho cables en paralelo.

Fig. 2. Resumen de las opciones de cableado disponibles para CameraLink HS

A pesar de sus mejoras, CameraLink HS no es una interfaz de consumo. No es compatible con DMA. En cambio, su diseño implica la transferencia de datos de imágenes hacia un FPGA lo más rápido posible. Antes de que los datos de imágenes entrantes de CameraLink HS pasen a un usuario, un capturador de cuadros los recibe y los ensambla, un requisito que agrega costos y complejidad a los sistemas de visión. La complejidad aumenta en sistemas que usan una topología de división de datos con varios PC.

CoaXPress 2.0

La especificación CoaXpress 2.0, finalizada a principios de 2017, ofrece mejoras de rendimiento y funcionalidad para respaldar su enfoque en aplicaciones de alta velocidad. CoaXpress utiliza tecnología que permite que el video 4K60 sobre HD-SDI aumente la velocidad de un solo canal de 6,25 Gbit/s a 12,5 Gbit/s. A esta velocidad, un cable de 4 núcleos puede transmitir cuatro gigabytes de datos de imágenes de la cámara al equipo anfitrión cada segundo. La duplicación de la velocidad máxima del enlace ascendente facilita el disparo a velocidades superiores a 500 kHz. CoaXpress 2.0 es compatible con transmisiones a múltiples destinos, lo que permite a las cámaras enviar datos a capturadores de cuadros en múltiples PC anfitriones.

CoaXpress 2.0 mantiene la longitud de cable máxima de 40 m del CoaXpress estándar. Si bien los cables coaxiales de una sola vía no son costosos, el costo de los conjuntos de cables de varias líneas y los dispositivos de captura de cuadros aumenta rápidamente.

Inspección óptica automatizada

La enorme diversidad de aplicaciones de inspección óptica automatizada (AOI) significa que no existe una única interfaz ideal.

Los procesos de alimentación continua como la impresión o la fabricación de películas delgadas requieren cámaras con tasas de cuadros muy altas. El alto ancho de banda que ofrecen las implementaciones de múltiples vías de CoaXpress y CameraLink HS son ideales para estas aplicaciones y ofrecen un mejor servicio que las cámaras de escaneo de línea. La capacidad anfitriones múltiple de CoaXpress permite el procesamiento en paralelo utilizando varios PC.

Muchos sistemas de inspección están limitados por factores distintos de la velocidad de la cámara y la interfaz. Las aplicaciones como la inspección de semiconductores en encapsulado a nivel de oblea abierto están limitadas por procesos mecánicos. Para estas aplicaciones, las altas velocidades de cuadro posibles con CameraLink HS y CoaXpress no producirán una mejora significativa en el rendimiento del sistema, pero agregarán un costo y complejidad significativos. La velocidad, la facilidad de uso y el bajo costo del ciclo de vida de USB 3.2 y de 10 Gigabit Ethernet los convierten en interfaces ideales para aplicaciones de inspección.

Algunos sistemas AOI son parte de piezas de maquinaria más grandes. Los motores y otros equipos pueden generar interferencia electromagnética (EMI) no deseada. USB 3.2 y Thunderbolt3 no están diseñados para su uso en entornos con altas cantidades de EMI. Garantizar la fiabilidad de estas interfaces en entornos propensos a EMI requiere el desarrollo de extensores ópticos activos fiables y asequibles.

Industria 4.0 puede ser una palabra de moda, pero su principio subyacente de sistemas que operan en un control constante basado en el tiempo, en lugar de basado en eventos, representa un cambio importante en el diseño del sistema. 10GigE es la única interfaz de próxima generación que admite el protocolo de tiempo de precisión (PTP) de IEEE 1588, que permite la sincronización de cámaras con otros dispositivos habilitados para Ethernet. Los diseñadores de sistemas están adoptando PTP como una especificación clave para la implementación futura de los principios de Industria 4.0.

Escaneo 3D

portátil

Los sistemas portátiles de escaneo 3D son dispositivos compactos que funcionan con baterías. El tamaño, masa y consumo de energía reducidos son fundamentales para desarrollar un producto exitoso. USB 3.2 y Thunderbolt3 funcionarían bien para esta aplicación, donde el dispositivo sería más pequeño que cualquier límite de longitud de cable. Estas interfaces proporcionarían suficiente ancho de banda para admitir las resoluciones requeridas para las nubes de puntos alta densidad, y una velocidad de cuadros lo suficientemente alta para una buena velocidad de escaneo.

USB 3.2 y Thunderbolt3 ahorrarían espacio adicional, ya que no requieren un capturador de fotogramas por separado. La entrega de energía USB podría ser útil para alimentar dispositivos integrados adicionales, como iluminadores IR o proyectores de luz estructurados. Una amplia gama de sistemas compactos integrados y computadoras de placa única admiten USB. La expectativa es que esta tendencia continúe con la transición a USB 3.2.

Gran formato

Los sistemas de gran formato para escanear automóviles, aviones o edificios completos son generalmente portátiles, y la facilidad de implementación y la robustez son fundamentales. 10 Gigabit Ethernet es una solución confiable que proporciona el ancho de banda para capturar nubes de puntos de alta resolución. La larga longitud de cable máxima admite líneas de base largas, lo que permite un escaneo de alta precisión. Si bien Camera Link HS y Coaxpress pueden soportar las longitudes de cable típicas utilizadas por las aplicaciones de escaneo 3D de gran formato, su dependencia de los captadores de cuadros aumentan el costo y la complejidad. Dado que estos sistemas suelen ser fijos, la velocidad adicional no proporcionaría ninguna mejora en el rendimiento.

Realidad virtual

La realidad virtual (VR) es una aplicación exigente que requiere dos o más cámaras estrechamente sincronizadas. Los sistemas VR capaces de capturar imágenes estéreo en seis grados de libertad pueden requerir 20 o más cámaras. Para sistemas compuestos por módulos de cámara individuales, las cámaras deben estar lo más cerca posible entre sí para minimizar el error de paralaje. El conector compacto de tipo C que usan USB 3.2 y Thunderbolt3 es ideal en este sentido. Los sistemas de realidad virtual suelen estar enfocados en el consumidor. La naturaleza fácil de usar de las interfaces USB, Thunderbolt y Ethernet las hace preferibles a CoaXpress y CameraLink en este espacio.

Los sistemas de VR utilizados para contenido como los deportes no capturan una esfera completa, ya que solo la acción en el campo es de interés. Estos sistemas suelen contar con menos cámaras de mayor resolución. El gran tamaño de los lugares deportivos típicos generalmente requiere cables más largos. La simplicidad 10GigE y el hecho de que soporte video 4K60 sin comprimir y cables largos lo hacen ideal para esta aplicación. Se encuentran disponibles conversores de medios ópticos que soportan velocidades de transferencia de 10 Gbit/seg en distancias superiores a un kilómetro.

Para los sistemas de captura volumétrica en cámara lenta altamente especializados, la velocidad, la capacidad de longitud del cable y la sincronización de reloj basada en PTP hacen de 10 Gigabit Ethernet una buena opción, con CoaXpress 2.0 una opción viable a velocidades extremadamente altas para aplicaciones científicas.