INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2023

01 Die Netzwerkkarte

01 Die Netzwerkkarte Matrox GevIQ kann in verschiedenen Varianten an die Anforderungen der jeweiligen Applikation angepasst werden PERFORMANCE IN DER BILDVERARBEITUNG WIE INTELLIGENTE NETZWERKKARTEN GIGE VISION-SYSTEME ENTLASTEN Vision-Bildverarbeitungskameras mit 5-, 10- und schon bald auch 25-facher Geschwindigkeit werden die Leistungsfähigkeit von Machine Vision-Systemen deutlich steigern. Doch die dabei entstehende CPU-Last und häufige Interrupts der Recheneinheit bremsen solche Systeme aus. Wie Sie Abhilfe schaffen können, beschreibt folgender Beitrag. GigE Vision hat sich seit seiner ersten Definition fraglos als einer der führenden Standards zur Datenübertragung in der Bildverarbeitung etabliert. Technische Eigenschaften wie die mögliche Kabellänge von bis zu 100 m, die sichere Datenübertragung und die relativ geringen Kosten haben dazu geführt, dass so gut wie jeder etablierte Hersteller von Industriekameras diverse Modelle mit GigE Vision-Interface im Programm hat. Und die Mehrzahl der industriellen Bildverarbeitungssysteme setzt auf diese Interface-Technologie. Da der GigE Vision-Standard auf der Kommunikationsschnittstelle Ethernet basiert, profitiert er ohne jede Anpassung von den neuen Ethernet-Geschwindigkeiten wie 5 GigE, 10 GigE und 25 GigE und befriedigt damit auch den immer weiter zunehmenden Bedarf nach schnellerer Datenübertragung. NACHTEIL GIGE VISION: PAKET-HANDLING WÄHREND DER BILDERFASSUNG Neben allen Vorteilen bringt die Methodik des Datenversands bei GigE Vision aber auch einen Nachteil mit sich: Die von der Kamera aufgenommene Bilder werden als einzelne Datenpakete an die 02 Ablauf der Bildrekonstruktion im Vergleich: Im Gegensatz zu Framegrabber-basierten Lösungen ist die CPU ist bei GigE Vision- Systemen immer in die Bildakqusition involviert Netzwerkkarte verschickt. Zur Bildrekonstruktion müssen die Pakete dann auf PC-Seite entpackt und der jeweilige Dateninhalt in den PC-Speicher geschrieben werden. Diese Vorgänge werden von der CPU ausgeführt, was im PC-System CPU-Last und CPU- Interrupts für die reine Bildakquisition erzeugt. Da die CPU somit 46 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2023/01 www.industrielle-automation.net

NEUE FREIHEITEN BEI DER KAMERAAUSWAHL Bei einem Preis im Bereich herkömmlicher Netzwerkkarten wie Smart NICs gibt die Matrox GevIQ Anwendern viel mehr Freiheiten und ermöglicht sehr leistungsfähige 10 und 25 GigE Vision-Systeme, die nicht an bestimmte Kamerahersteller gebunden sind. Raoul Kimmelmann, Geschäftsführer, Rauscher GmbH für die Bildverfassung involviert ist, stehen weniger CPU-Ressourcen für alle anderen Tasks, speziell für die Berechnung der Bildverarbeitungsalgorithmen zur Verfügung. Die Bildverarbeitung wird also durch das Paket-Handling während der Bilderfassung gebremst. Hier unterscheidet sich GigE Vision von Systemen mit CoaXPress-Interface, wo ein Framegrabber die CPU von den Aufgaben des Paket-Handling entlastet. GIGE VISION VERSUS COAXPRESS-SYSTEME Matrox Imaging hat in Vergleichsmessungen verschiedener GigE Vision-Systeme die entstehende CPU-Last und CPU-Interrupts analysiert. So entstehen bei der Aufnahme von Bildern mit einer aktuellen 10 GigE Vision-Kamera mit einer Auflösung von 20 Megapixeln bei 50 Bildern pro Sekunde Datenmengen in der Größenordnung von rund 1,1 GB/s. Die beschriebenen Arbeitsschritte zur Rekonstruktion der Bilder im PC-Speicher führen nach den Ergebnissen der Untersuchungen zu einer CPU-Last von rund 10 Prozent sowie rund 49.000 CPU-Interrupts pro Sekunde. Die Bandbreite des Hauptspeichers wird dabei mit rund 5,5 GB/s belastet. Diese drei Effekte bremsen effektiv alle anderen Tasks auf dem PC-System. Und gleichzeitig kann es zu einem Bottleneck bei den Speicherzugriffen kommen, da sowohl Algorithmen als auch die Bildrekonstruktion auf den gleichen Speicherbus zugreifen müssen. An dieser Stelle lohnt sich nochmals der Vergleich mit CoaX- Press-Systemen, wo ein Framegrabber diese Aufgaben übernimmt, komplette Bilder an den PC schickt und die CPU auf diese Weise entlastet. Bei Ein-Kamera-Systemen mit CoaXPress liegt die CPU-Belastung dadurch um etwa den Faktor 10 niedriger als bei GigE Vision-Architekturen, die Anzahl der CPU-Interrupts ist sogar um rund den Faktor 30 reduziert und die Nutzung der Hauptspeicher-Bandbreite beträgt rund ein Viertel der Datenmenge von 10 GigE Vision-Systemen. Mit der Netzwerkkarte Matrox GevIQ löst Matrox Imaging diese aktuellen technischen Nachteile von High-End-GigE Vision-Systemen. Die grundlegende Idee ist, die CPU durch diese zusätzliche Karte ähnlich wie bei einem Framegrabber zu entlasten und das De-Paketizing der Bilder ohne CPU-Einsatz vorzunehmen. Die Idee, derartige Netzwerkkarten einzusetzen, ist an sich nicht neu: Entsprechende Produkte, so genannte SmartNICs (Network Interface Card, NIC), existieren am Markt – speziell im Server-Umfeld von Rechenzentren – bereits. SmartNICs erfordern jedoch immer eine spezifische FPGA-Programmierung auf den jeweiligen Anwendungsfall hin. Im Bereich der Bildverarbeitung bieten einige Hersteller Bundles mit 10 GigE-Kameras und abgestimmten SmartNICs. Diese Lösungen sind jedoch bislang proprietär und der Anwender ist damit immer an eine bestimmte Auswahl an Kameramodellen gebunden. Nicht nur in der aktuellen Situation der Lieferkettenproblematik möchten viele Anwender jedoch bei der Kameraauswahl möglichst flexibel bleiben und profitieren aus diesem Grund von einem generischen Ansatz. Die Netzwerkkarte Matrox GevIQ schafft diesbezüglich neue Freiheiten, da sie die eingehenden Bilddaten unabhängig vom Hersteller der eingesetzten GigE Vision-Kamera in komplette Bilder umwandelt. Einzige Voraussetzung dafür ist, dass die Kamera dem GigE Vision-Standard entsprechen muss. Ist dies gegeben, so eignet sich die Matrox GevIQ besonders bei der Realisierung von Ein- oder Mehrkamerasystemen mit 10 oder 25 GigE Vision- Kameras. Für Systeme mit einem 1 oder 5 GigE Vision-Interface ist die Leistung aktueller CPUs in der Regel ausreichend und erfordert keine zusätzliche Netzwerkkarte. EIN ECHTER COUP „Mit der Vorstellung der Netzwerkkarte Matrox GevIQ hat Matrox Imaging einen echten Coup gelandet“, betont Raoul Kimmelmann, einer der beiden Geschäftsführer der Rauscher GmbH, über die diese Produkte in Deutschland und Österreich vertrieben werden. „Bei einem Preis im Bereich herkömmlicher SmartNICs gibt diese Entwicklung Anwendern viel mehr Freiheiten und ermöglicht sehr leistungsfähige 10 und 25 GigE Vision-Systeme, die nicht an bestimmte Kamerahersteller gebunden sind. Hinzu kommt die einfachere Realisierung ohne langwierige Programmierung, die bei bisherigen SmartNICs immer ein großer Hemmschuh waren.“ Bilder: Aufmacher xiaoliangge – stockadobe.com, 01 + 02 Matrox Imaging, Porträt Rauscher www.rauscher.de UNTERNEHMEN Rauscher GmbH Johann-G.-Gutenberg-Str. 20, 82140 Olching Tel 0 81 42 / 4 48 41-0 info@rauscher.de AUTOR Peter Stiefenhöfer, PS Marcom Services, Olching www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 2023/01 47