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 cuadros, 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 fotogramas de vídeo en streaming mientras utilizan interfaces y cables comúnmente disponibles, y no requieren el uso de equipos especializados como captadores de fotogramas (piezas costosas de infraestructura de red que permiten a las computadoras capturar fotogramas de conexiones de vídeo en streaming). 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 más nuevas de 2.5GBase-T, 5GBase-T y 10GBase-T. 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 entregue hasta 25 W de potencia a la cámara conectada.

Para aumentar la potencia y la velocidad, se pueden utilizar dos cables en tándem, duplicando efectivamente el rendimiento y la entrega de energía. Esto se logra mediante la agregación de enlaces (LAG) que el estándar GigE Vision admite totalmente, 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 su uso con conmutadores Ethernet para topologías variadas. Nuevamente, pueden surgir problemas de estabilidad en redes más complejas debido a la naturaleza del protocolo.

Dado que todas las cámaras de un sistema de visión normalmente estarían en la misma red, GigE Vision permite la transmisión de comandos de disparo a todas las cámaras al mismo tiempo, lo que permite una alta sincronicidad entre las 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 que GigE Vision está actualmente en marcha son la implementación de NBase-T y diez gigabit Ethernet. NBase-T permite la transmisión de datos hasta cinco veces la velocidad de Gigabit Ethernet sin la necesidad de actualizar la infraestructura de cableado ya existente. NBase-T pretende servir como transición entre gigabit Ethernet y diez gigabit Ethernet, ya que sólo se requerirán modificaciones menores en un sistema existente. Una vez que un usuario esté listo para actualizar todo el sistema a diez gigabit Ethernet, podrá hacerlo de dos maneras.

Ethernet de diez gigabits puede utilizar 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 estuvieran encendidos 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 rendimiento de imagen de 400 MB/s a distancias superiores a los 100 metros. Una combinación de cables extensores 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 utilizan cables pasivos y activos, entregando 4,5 W de potencia 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 realizar transmisiones full duplex.

USB3 Vision se beneficia del acceso directo a la memoria (DMA), donde la cámara escribe directamente en la RAM de la computadora host y omite la CPU. Esto también se conoce como transmisión de imágenes de copia cero y juega un factor importante a la hora de reducir la carga de la CPU a menos del uno por ciento. El estándar también se beneficia de la naturaleza plug and play del USB y ofrece un enfoque sencillo y amigable para el usuario para la configuración del sistema.

Al igual que 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 cable del host como del dispositivo. Esto garantiza 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.

Actualmente, el estándar se basa en USB 3.0 (ahora conocido como USB 3.1 Gen 1), pero se está desarrollando el desarrollo para lanzar USB3 Vision en USB 3.1 Gen 2. La segunda generación ofrece más del doble de rendimiento que 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, reduciendo así los gastos generales del 20% a sólo 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 llega un nuevo tipo de conector conocido como “Tipo C”. Si bien los conectores actuales Tipo A y Tipo B 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 a través de este tipo de cable tiene una potencia nominal de 100 W y admitirá voltajes de 5, 12 y 20 voltios. También es importante tener en cuenta que, siguiendo la tendencia marcada 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. Probablemente se convertirán 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 la necesidad de costosos y complejos captadores de fotogramas. Se basan en tecnologías 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 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 fotogramas, GigE Vision y USB3 Vision son alternativas rentables que ofrecen un rendimiento excelente. Mantienen los costos bajos al evitar los captadores de cuadros y utilizar cables y equipos de red estándar disponibles comercialmente para una variedad de industrias.

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