El futuro de las interfaces de visión artificial

Cable USB3. Fuente: Anil Oztas

Esta es una cámara GigE de alta resolución. Fuente: Lumenera

Aquí hay una cámara USB 3.0 de alto rendimiento. Fuente: Lumenera

Cable de ethernet. Fuente: Raysonho @ Open Grid Scheduler/Grid Engine

Con la demanda cada vez mayor de velocidades de fotogramas, profundidades de bits y resolución, los estándares de interfaz deben adaptarse a estos cambios con nuevas formas de transferir datos con mayor velocidad y solidez. Los estándares de interfaz modernos, como GigE Vision y USB3 Vision, admiten la transmisión de cuadros de video continuos mientras usan interfaces y cables comúnmente disponibles, y no requieren el uso de equipos especializados como capturadores de cuadros (piezas costosas de infraestructura de red que permiten que las computadoras capturen cuadros de conexiones de transmisión de video). El protocolo de transferencia de tramas está integrado directamente en el estándar para minimizar el costo y la complejidad de la implementación.

Con todo esto en mente, este artículo explora el estado actual y el futuro cercano de las interfaces de visión artificial más populares que no necesitan un capturador de fotogramas.

El estándar de interfaz GigE Vision existe desde hace más tiempo y se adopta más ampliamente que USB3 Vision. En su estado actual, la interfaz es capaz de alcanzar velocidades de rendimiento de hasta 115 MB/s en distancias de hasta 100 metros con un solo cable. GigE Vision se beneficia de la compatibilidad con versiones anteriores diseñada en la especificación Ethernet, lo que le permite ejecutarse en infraestructuras 2.5GBase-T, 5GBase-T y 10GBase-T más nuevas. La entrega de energía también es posible utilizando la especificación Power over Ethernet (PoE) en cables CAT5e/CAT-6a/CAT-7 basados ​​en cobre. La especificación permite que cada cable suministre hasta 25 W de potencia a la cámara conectada.

Para aumentar la potencia y la velocidad, se pueden usar dos cables en tándem, duplicando efectivamente el rendimiento y la entrega de energía. Esto se logra mediante la agregación de enlaces (LAG), que es totalmente compatible con el estándar GigE Vision, pero la estabilidad con este tipo de conexión no es fácil de lograr. También admite capacidades de red nativas de Ethernet para permitir la integración en redes existentes y para usar con conmutadores Ethernet para topologías variadas. Una vez más, pueden surgir problemas de estabilidad en redes más complejas debido a la naturaleza del protocolo.

Dado que todas las cámaras en un sistema de visión normalmente estarían en la misma red, GigE Vision permite la transmisión de comandos de activación a todas las cámaras al mismo tiempo, lo que permite una alta sincronía entre cámaras. Además, GigE Vision admite la transmisión de múltiples formatos de datos dentro de la red, incluidos, entre otros: RAW (sin comprimir), JPEG, JPEG 2000 y H.264.

Los próximos pasos para GigE Vision actualmente en curso son la implementación de NBase-T y Ethernet de diez gigabits. NBase-T permite la transmisión de datos hasta cinco veces más rápido que Gigabit Ethernet sin necesidad de actualizar la infraestructura de cableado existente. NBase-T tiene como objetivo servir como una transición entre gigabit Ethernet y diez gigabit Ethernet, ya que solo se requerirán modificaciones menores a un sistema existente. Una vez que un usuario esté listo para actualizar todo el sistema a Ethernet de diez gigabits, podrá hacerlo de una de dos maneras.

Diez gigabit Ethernet puede usar cables CAT-6a/CAT-7 basados ​​en cobre que se extienden hasta 100 metros o cables de fibra óptica monomodo más costosos que pueden alcanzar distancias de hasta cinco kilómetros. Ambos tipos de cableado admiten velocidades de transmisión de datos de hasta 1100 MB/s. Sin embargo, los cables de fibra óptica no pueden suministrar energía a los dispositivos. Esto requeriría que los dispositivos reciban alimentación en el otro extremo.

El estándar USB3 Vision se basó en la experiencia y los conocimientos adquiridos con GigE Vision, así como con otros estándares de visión. Actualmente, el estándar admite velocidades de procesamiento de imágenes de 400 MB/s a distancias superiores a los 100 metros. Una combinación de cables de extensión pasivos, activos y de fibra óptica permiten que USB3 Vision alcance distancias de hasta 125 metros. La entrega de energía también es posible cuando se usan cables pasivos y activos, entregando 4.5W de energía a la cámara. Sin embargo, la longitud del cable se limita entonces a aproximadamente 10 metros y 25 metros, respectivamente. También consume un tercio de la energía para transmitir datos que la tecnología USB 2.0 anterior y es capaz de transmitir en dúplex completo.

USB3 Vision se beneficia del acceso directo a la memoria (DMA), en el que la cámara escribe directamente en la memoria RAM de la computadora host y no pasa por la CPU. Esto también se conoce como transmisión de imágenes de copia cero y juega un factor importante en la reducción de la carga de la CPU a menos del uno por ciento. El estándar también se beneficia de la naturaleza plug and play de USB y ofrece un enfoque sencillo y fácil de usar para la configuración del sistema.

Similar a GigE Vision, USB3 Vision también ofrece la transmisión de múltiples tipos de formatos de imagen. La especificación USB también permite bloquear conectores adecuados para aplicaciones de visión artificial tanto en el lado del host como en el del dispositivo del cable. Esto asegura una conexión sólida y confiable entre la cámara y el dispositivo informático en un entorno industrial y reduce la posibilidad de que una desconexión involuntaria interrumpa la comunicación.

El estándar actualmente se basa en USB 3.0 (ahora conocido como USB 3.1 Gen 1), pero el desarrollo está en marcha para lanzar USB3 Vision en USB 3.1 Gen 2. La segunda generación brinda más del doble del rendimiento de Gen 1 y es capaz de alcanzar velocidades de más de 1.200 MB/s. Esto se logra cambiando el esquema de codificación de datos de 8b/10b a 128b/132b, lo que reduce la sobrecarga del 20 % a solo el 3 %. Las velocidades de procesamiento de imágenes aún no se conocen, pero una apuesta segura es que serán más del doble de lo que ofrece actualmente USB3 Vision.

Junto con la segunda generación viene un nuevo tipo de conector conocido como "Tipo C". Si bien los conectores Tipo A y Tipo B actuales seguirán funcionando con USB 3.1 Gen 2, los conectores Tipo C brindarán capacidades de alimentación mejoradas a USB3 Vision. La entrega de energía admitida sobre este tipo de cable es de 100 W y admitirá voltajes de 5, 12 y 20 voltios. También es importante tener en cuenta que siguiendo la tendencia establecida por los conectores Tipo A y Tipo B, los conectores Tipo C están disponibles para su compra con conectores de bloqueo.

Los cables tipo C también admitirán el protocolo Thunderbolt 3 y los hacen increíblemente versátiles. Es probable que se conviertan en el cable estandarizado del futuro para cargar computadoras portátiles, alimentar y transmitir datos a periféricos como monitores y cámaras 4k, e interactuar con una amplia gama de productos electrónicos de consumo, incluidos teléfonos y tabletas.

La decisión es tuya

USB3 Vision y GigE Vision ofrecen soluciones viables para la industria de la visión artificial sin necesidad de costosos y complejos capturadores de fotogramas. Se basan en tecnologías que son nativas de las plataformas informáticas y familiares para los usuarios. Ambos estándares están construidos con la interfaz genérica para cámaras (GenICam) que facilita la integración en los sistemas que utilizan el estándar de software.

Al seleccionar una tecnología de interfaz de visión para una aplicación que no requiere las velocidades de transferencia de datos extremadamente altas asociadas con las cámaras de alta resolución y alta velocidad de cuadros, GigE Vision y USB3 Vision son alternativas rentables que ofrecen un rendimiento excelente. Mantienen los costos bajos al evitar los capturadores de fotogramas y al usar cables estándar y equipos de red disponibles comercialmente para una variedad de industrias.

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