Interfaces de nouvelle génération comparées

Au-delà des spécifications, comparer les interfaces de nouvelle génération

Cet article fournit une vue d'ensemble et une comparaison de la prochaine génération d'interfaces Ethernet, USB, Camera Link et CoaXpress, et présente Thunderbolt3 comme une interface à surveiller. Ces interfaces caméra ont contribué à la croissance du secteur de la vision artificielle et continueront de le faire à l'avenir.

Ethernet 10 Gigabit

Ethernet existait dix ans avant son adoption comme norme IEEE 802.3 en 1983. Depuis lors, sa fiabilité, sa flexibilité et sa vitesse sans cesse croissante ont rendu cette technologie véritablement omniprésente. En 2016, une caméra de vision artificielle sur deux vendue était Gigabit Ethernet (GigE).

La vitesse accrue et la faible latence de Ethernet 10 Gigabit (10GigE) constituent les principaux atouts de GigE. Avec 10 Gbit/sec de bande passante, une Oryx 10GigE FLIR peut transmettre des vidéos 4K60 12 bits non compressées sur 60 mètres sur des câbles peu coûteux et facilement disponibles. L’implémentation 10GBASE-T d’Ethernet 10 Gigabit prise en charge par l'Oryx de FLIR utilise le fameux connecteur RJ45 et des câbles en cuivre à paires torsadées.

L'industrie informatique a adopté 10GigE pour une utilisation dans des infrastructures réseau. Avec le soutien de sociétés comme Apple et Asus, il devient rapidement une interface grand public. L'adoption généralisée de 10 GigE a favorisé un écosystème solide composé d'une large gamme de produits à la fois économiques et performants.

Une version révisée de la norme Power Over Ethernet (PoE) a été introduite. La norme IEEE 802.3bt active PoE sur des liaisons de 10 gigabits, bien qu'elle n'ait pas été largement adopté. Il n'existe actuellement pas de caméras de vision artificielle PoE 10GigE disponibles.

L'interface 10GBASE-T prend en charge le protocole PTP (Precision Time Protocol) IEEE 1588, qui permet aux caméras telles que l'Oryx de FLIR de synchroniser automatiquement leurs horloges internes les unes avec les autres et avec les autres matériels Ethernet, sans surveillance de l'utilisateur.

USB 3.2

La spécification USB 3.2 récemment finalisée est la prochaine révision majeure de cette célèbre interface. L'USB 3.2 utilise les deux côtés d'un connecteur de type C pour prendre en charge deux liaisons USB 3.1 en parallèle, permettant des vitesses de transfert allant jusqu'à 20 Gbit/sec. Les distinctions entre la 1ère génération et la 2ème génération introduites avec le passage de l'USB 3.0 à l'USB 3.1 seront maintenues dans l'USB 3.2.

Les principales différences entre les liaisons de 1ère génération et de 2ème génération incluent le débit de signalisation, l'efficacité du codage et la longueur maximale du câble. La 2ème génération mutliplie par deux le débit de signalisation de 5 Gbit/sec à 10 Gbit/sec, tout en remplaçant le codage 8/10b utilisé dans la 1ère génération par un codage 128/132b plus efficace. Cette réduction du temps système de codage signifie que les liaisons de 2ème génération supportent des vitesses de transfert réelles beaucoup plus proches du débit de signalisation. Les liaisons de 1ère génération fournissent un débit réel de 4 Gbit/s, tandis que les liaisons de 2ème génération prennent en charge jusqu'à 9,7 Gbit/sec.

La longueur de câble maximale des liaisons de 1ère génération est de cinq mètres, tandis que les liaisons de 2ème génération sont limitées à un mètre. La longueur de câble de l'USB 3.2 2ème génération est susceptible de limiter son adoption généralisée jusqu'à ce que des câbles optiques actifs abordables soient disponibles.

La combinaison des numéros de voies USB et des générations introduit un risque de confusion pour le consommateur. Une interface USB 3.2 ne sera pas nécessairement plus rapide que l'USB 3.1. Même si l'encodage moins efficace de l'USB 3.1 1ère génération était multiplié par deux, il resterait environ 20% plus lent qu'une connexion USB 3.1 2ème génération. Les différences de longueur de câble maximale pour chaque génération signifient que les utilisateurs doivent sélectionner un câble d’une longueur appropriée pour la génération de leur interface.

L'USB prend en charge l'accès direct à la mémoire (DMA), qui permet aux données d'image d'être diffusées directement depuis une caméra dans la mémoire système. Ceci est idéal pour les applications intégrées avec une bande passante mémoire limitée et une puissance de processeur limitée.

Fig. 1. Chronologie des normes USB et leur débit relatif

Thunderbolt3

L'interface Thunderbolt n'a pas encore connu de reprise importante dans le secteur de la vision artificielle, mais l'interface Thunderbolt3 pourrait y remédier. Elle promet une combinaison utile allant jusqu’à 40 Gbit/s, une facilité d’utilisation et des connecteurs USB de type C familiers. Thunderbolt3 prendra également en charge la spécification Puissance délivrée USB, lui permettant de fournir jusqu'à 100 W de puissance. La limite de longueur de câble actuelle de 50 cm peut limiter l'adoption de cette interface jusqu'à ce que des câbles optiques actifs fiables et abordables soient disponibles.

Alors que la vitesse de signalisation maximale sur un câble Thunderbolt3 est de 40 Gbit/s, le débit réel apparaîtra nettement inférieur. La connexion PCIe 3.0 x4 entre les hôtes et les périphériques, ainsi que leurs PHY, offre une bande passante pouvant atteindre 32 Gbit/s. La bande passante restante est utilisée pour transmettre les signaux DisplayPort pour les moniteurs HD et UHD. L’interface PCIe de la PHY active le DMA côté hôte.

Intel, qui développe et entretient la technologie Thunderbolt, a récemment annoncé que tous ses nouveaux chipsets prendraient en charge Thunderbolt3. Ils ont également assoupli les exigences en matière de licences pour encourager les fabricants tiers à adopter l'interface. Les efforts d’Intel pour favoriser l’adoption de Thunderbolt3 ont créé un écosystème consommateur inhabituel où les hôtes Thunderbolt3 sont largement disponibles, mais pas les appareils. Il n'y a actuellement pas de caméras de vision artificielle Thunderbolt3.

CameraLink HS

La norme CameraLink HS a été établie en 2012. Elle améliore l'interface d'origine de CameraLink avec une vitesse accrue et une plus grande flexibilité de câblage. La norme CameraLink HS ajoute la prise en charge de plusieurs types de câblage, permettant aux utilisateurs d’échanger de la vitesse contre de la longueur de câble. Les câbles coûteux et encombrants associés à la génération précédente ont disparu. La correction des erreurs CRC et le renvoi des données améliorent la fiabilité de la transmission. Les erreurs de transmission sur un seul bit sont automatiquement détectées et corrigées. Pour une bande passante supplémentaire sur les applications à haut débit, huit câbles peuvent être utilisés en parallèle.

Fig. 2. Résumé des options de câblage disponibles pour CameraLink HS

Malgré ses améliorations, CameraLink HS n'est pas une interface pour le consommateur. Il ne prend pas en charge le DMA. Au lieu de cela, sa conception implique le transfert de données d'image dans un FPGA aussi rapidement que possible. Avant que les données d'image CameraLink HS entrantes ne soient transmises à un utilisateur, une carte d'acquisition d'image les reçoit et les assemble, une exigence qui ajoute du coût et de la complexité aux systèmes de vision. Composés complexes dans les systèmes utilisant une topologie de fractionnement de données avec plusieurs PC.

CoaXPress 2.0

La spécification CoaXpress 2.0, finalisée début 2017, apporte des améliorations en termes de performances et de fonctionnalités pour prendre en charge les applications à haute vitesse. CoaXpress emprunte à la technologie qui permet à la vidéo 4K60 sur HD-SDI d’augmenter la vitesse à un seul canal de 6,25 Gbit/s à 12,5 Gbit/s. À cette vitesse, un câble à 4 cœurs peut transmettre quatre gigaoctets de données d’image de la caméra à l’hôte chaque seconde. La multiplication par deux de la vitesse de liaison montante maximale facilite le déclenchement à des vitesses supérieures à 500 kHz. CoaXpress 2.0 prend en charge la transmission multi-destination, permettant aux caméras d'envoyer des données aux cartes d'acquisition sur plusieurs PC hôtes.

CoaXpress 2.0 maintient la longueur de câble maximale de 40 m de la norme CoaXpress. Bien que les câbles coaxiaux à une seule voie soient peu coûteux, le coût des assemblages de câbles à plusieurs voies et des cartes d'acquisition augmente rapidement.

Inspection optique automatisée

La grande diversité des applications d'inspection optique automatisée (AOI) signifie qu'il n'y a pas une seule interface idéale.

Les processus d'alimentation continue comme l'impression ou la fabrication de films minces nécessitent des caméras avec des fréquences d'images très élevées. La bande passante élevée offerte par les implémentations à plusieurs voies de CoaXpress et CameraLink HS est idéale pour ces applications et fonctionne mieux que les caméras linéaires. La capacité multi-hôte de CoaXpress permet un traitement parallèle en utilisant plusieurs PC.

De nombreux systèmes d'inspection sont limités par des facteurs autres que la vitesse de la caméra et de l'interface. Des applications telles que l'inspection des semi-conducteurs dans les emballages au niveau des plaquettes sortantes sont limitées par des processus mécaniques. Pour ces applications, les fréquences d'images élevées potentielles avec CameraLink HS et CoaXpress n'amélioreront pas significativement les performances du système, mais ajouteront des coûts et une complexité considérables. La vitesse, la facilité d'utilisation et le faible coût du cycle de vie des connexions USB 3.2 et Ethernet 10 Gigabit en font des interfaces idéales pour les applications d'inspection.

Certains systèmes AOI font partie de machines plus grandes. Les moteurs et autres équipements peuvent générer des interférences électromagnétiques indésirables (EMI). L'USB 3.2 et Thunderbolt3 ne sont pas conçus pour être utilisés dans des environnements comportant de grandes quantités d'EMI. Assurer la fiabilité de ces interfaces dans les environnements sujets aux interférences électromagnétiques nécessite le développement de systèmes d'extension optiques fiables et abordables.

L'industrie 4.0 peut être un mot à la mode, mais son principe sous-jacent de systèmes fonctionnant sur une temporalité homogène, plutôt que sur des événements, représente un changement majeur dans la conception du système. 10GigE est la seule interface de nouvelle génération à prendre en charge le protocole PTP (Precision Time Protocol) IEEE 1588, qui permet la synchronisation de caméras avec d’autres appareils compatibles Ethernet. Les concepteurs de systèmes adoptent le protocole PTP en tant que spécification clé pour l’implémentation future des principes de l’industrie 4.0.

Numérisation 3D portable

Les systèmes de numérisation 3D portables sont des appareils compacts alimentés par batterie. La petite taille, la masse et la consommation d'énergie sont essentielles au développement d'un produit performant. USB 3.2 et Thunderbolt3 fonctionneraient bien pour cette application, où le périphérique serait plus petit que toute éventuelle limite de longueur de câble. Ces interfaces fourniraient une bande passante suffisante pour prendre en charge les résolutions requises pour une densité de nuage de points élevée et une fréquence d'images suffisante pour une vitesse de numérisation satisfaisante.

L'USB 3.2 et Thunderbolt3 fourniraient des économies d'espace supplémentaires car ils ne nécessitent pas de carte d'acquisition séparée. USB Power Delivery pourrait être utile pour alimenter des périphériques supplémentaires tels que des projecteurs infrarouges ou des projecteurs à lumière structurée. Une large gamme de systèmes intégrés compacts et d'ordinateurs monocarte supporte l'USB. On s’attend à ce que cette tendance se poursuive avec le passage à l’USB 3.2.

Grand format

Les systèmes grand format pour numériser des voitures, des avions ou des bâtiments entiers sont généralement portables, et la facilité de déploiement et la robustesse sont essentielles. Ethernet 10 Gigabit est une solution fiable qui fournit la bande passante nécessaire pour capturer des nuages de points haute résolution. La longueur maximale du câble supporte de longues lignes de base, permettant une numérisation de haute précision. Alors que Camera Link HS et Coaxpress peuvent prendre en charge les longueurs de câble typiques utilisées par les applications de numérisation 3D grand format, leur dépendance vis-à-vis des cartes d'acquisition d'images augmente leur coût et leur complexité. Étant donné que ces systèmes sont généralement fixes, une vitesse supplémentaire n'apporterait aucune amélioration des performances.

Réalité virtuelle

La réalité virtuelle (VR) est une application exigeante qui nécessite deux caméras ou plus synchronisées. Les systèmes VR capables de capturer des images stéréo en six degrés de liberté peuvent nécessiter 20 caméras ou plus. Pour les systèmes composés de modules de caméra individuels, les caméras doivent être proches les unes des autres pour minimiser les erreurs de parallaxe. Le connecteur compact Type-C utilisé par USB 3.2 et Thunderbolt3 est idéal à cet égard. Les systèmes de RV sont généralement axés sur le consommateur. La nature conviviale des interfaces USB, Thunderbolt et Ethernet les rend préférables à CoaXpress et CameraLink dans cet espace.

Les systèmes de RV utilisés pour des contenus tels que les sports ne capturent pas une sphère entière, car seule l’action sur le terrain présente un intérêt. Ces systèmes se composent généralement de moins de caméras haute résolution. La grande taille des sites sportifs typiques nécessite généralement des câbles plus longs. La prise en charge par 10GigE de la vidéo 4K60 non compressée, les câbles longs et sa simplicité le rendent idéal pour cette application. Des convertisseurs de supports optiques prenant en charge des vitesses de transfert de 10 Gbit/s sur des distances supérieures à un kilomètre sont disponibles.

Pour les systèmes de capture volumétrique à mouvement lent hautement spécialisés, la vitesse, la capacité de longueur de câble et la prise en charge de la synchronisation d'horloge basée sur PTP font de l'Ethernet 10 Gigabit un choix judicieux, CoaXpress 2.0 étant une option viable à des vitesses extrêmement élevées pour les applications scientifiques