Über den Mechanismus und die Ursachen von Paketverlust bei Industriekameras

Industriekameras spielen eine entscheidende Rolle in Maschinenvisionsystemen. Bei der Aufnahme mit hoher Frequenz treten jedoch häufig Anomalien wie schwarze Balken, Bildverzerrungen und Fehlausrichtungen auf. Das Wesen dieser Probleme ist typischerweise eng mit dem Verlust von Datenpaketen während der Bildübertragung verbunden.

ⅰ. Zusammenhang zwischen Bildverzerrung/schwarzen Balken und Paketverlust

Häufige Phänomene:

• Bilder erscheinen fragmentiert, zerrissen oder falsch ausgerichtet;

• Schwarze Streifen oder horizontal unterbrochene Bereiche erscheinen auf den Bildern;

• Die Bilder zeigen Ruckeln, Bildstörungen oder Nachbilder.

Die meisten dieser Probleme hängen mit einem zentralen technischen Problem zusammen—dem Paketverlust.

ⅱ.  Was ist Paketverlust?—Eine einfache Analogie: Das Kurier-Zustellsystem

Dies ist ein a a analogie m modell , C vergleichen d der Prozess der Bildaufnahme und -übertragung an ein Kurierunternehmen, das Pakete liefert :

• Bilddatenpakete = Kurierpakete

• Interrupts/Netzwerkübertragung = Lieferfahrzeuge

• CPU/Speicher-Cache = Paketsortierpersonal

• Bildanzeige = Kundenempfang und Auspacken

 1. paketverlust bei „Fahrzeugkollision“ in der Netzwerkübertragung

Bei herkömmlichen GigE-Port-Lösungen teilen industrielle Kameras kontinuierlich Bilddaten in mehrere kleine Pakete auf und senden sie über Ethernet an die Netzwerkkarte des Computers. Dies ist vergleichbar damit, dass ein Unternehmen viele kleine Fahrzeuge verwendet, um Pakete zu transportieren, wobei jedes Fahrzeug nur wenig lädt und häufig Autobahnen befährt und verlässt (Interrupts):

• Wenn die Transportfrequenz zu hoch ist, neigen die Fahrzeuge zu Kollisionen (Interrupt-Stau);

• Kollisionen führen dazu, dass einige Pakete verloren gehen (Datenverlust);

• Das Ergebnis sind schwarze Balken, Bildreißer und Fehlausrichtungen in den Bildern.

Diese Situation tritt besonders häufig bei der Aufnahme mit hoher Geschwindigkeit, bei hochauflösenden Bildern oder bei synchroner Erfassung mit mehreren Kameras auf.

 2. CPU-Überlast: „Verwerfen von Paketen während des Entpackens“

Eine weitere Form des Paketverlusts tritt beim erneuten Zusammensetzen der Daten auf. Nachdem die Bilddaten am Host angekommen sind, müssen diese „Kurierpakete“ zu einem vollständigen Bild zusammengesetzt werden:

• Dies ist vergleichbar damit, dass eine Kurierfirma verstreute Pakete für Benutzer sortiert;

• Wenn das Sortierpersonal (CPU/Speicher-Verarbeitungslogik) zu beschäftigt ist oder langsam reagiert;

• Werden überzählige Pakete als „Abfalldaten“ verworfen;

• Infolgedessen fehlen einige „Pakete“ im zusammengesetzten Bild – erneut treten Bildreißer und schwarze Balken auf.

ⅲ. Überblick über häufige technische Ursachen

ⅳ. Lösungen und Vorschläge

1. Hardware-Optimierung

• Gigabit- oder 10-Gigabit-Netzwerkkarten verwenden und Jumbo Frames aktivieren (z. B. 9 KB);

• Hochwertige, gut abgeschirmte Netzwerkkabel verwenden und die Kabellänge im vernünftigen Bereich halten;

• CPU, Arbeitsspeicher aufrüsten oder Edge-Computing-Gateways verwenden, um die Verarbeitungsbelastung zu verringern.

2. Software-Konfiguration und Systemoptimierung

• Puffergröße des Bildakquisitions-SDK korrekt konfigurieren;

• Vermeiden Sie die Ausführung von mehrthreadigen Aufgaben mit hoher Last während der Bildaufnahme;

• Hardware-Interrupt-Bindung aktivieren und IRQ-Affinity-Einstellungen optimieren;

• Verwenden Sie dedizierte industrielle Echtzeitbetriebssysteme oder Linux-Kernel mit optimierter Prozessplanung.

3. Anpassungen der Netzwerkarchitektur

• Kameras direkt verbinden oder Switches verwenden, die QoS unterstützen;

• Unnötige Netzwerkgeräte-Knoten reduzieren;

• Bei der Installation mehrerer Kameras eine angemessene Lastverteilung sicherstellen.

V. Schlussbemerkung

Probleme wie schwarze Balken, Bildrissen und Fehlausrichtungen bei industriellen Kamerabildern werden im Wesentlichen durch Paketverluste während der Bildaufnahme und -übertragung verursacht. Unabhängig davon, ob diese auf Netzwerküberlastung oder Engpässe in der Host-Verarbeitung zurückzuführen sind, bietet die Analogie zum „Kurier-Zustellsystem“ eine anschauliche Möglichkeit, die Ursachen zu verstehen.

Von „Fahrzeugkollisionen“ bis hin zu „verwechselten und entsorgten Paketen“ veranschaulichen diese Analogien eindrucksvoll die Anfälligkeiten von Bildakquisitionssystemen unter Hochlastbedingungen. Durch Hardware-Optimierung, Software-Scheduling und Netzwerk-Anpassungen können derartige Anomalien erheblich reduziert werden, wodurch die Stabilität und Zuverlässigkeit der Bildakquisition verbessert wird.