14.11.20251. Die Sensoren überholen den Datenpfad
Noch vor Kurzem waren die meisten Bildsensoren in Auflösung und Geschwindigkeit eher bescheiden. Das hat sich grundlegend geändert. Dank rasanter Fortschritte in der CMOS-Technologie erzeugen Sensoren heute enorme Datenmengen – so viele, dass die Herausforderung nicht mehr nur darin besteht, das Bild aufzunehmen, sondern die Daten reibungslos vom Sensor zum Computer zu übertragen.
Nehmen wir GpixelsGSPRINT5514BSIBeispielsweise liefert die Kamera eine Auflösung von 14 Megapixeln (4.608 × 3.072) mit 5,5 μm großen Pixeln im APS-C-Format. Je nach Modus erreicht sie bis zu 670 Bilder pro Sekunde bei 10 Bit, 350 Bilder pro Sekunde bei 12 Bit oder 80 Bilder pro Sekunde im Dual-12-Bit-HDR-Modus. Daraus ergibt sich ein Rohdatendurchsatz von nahezu 95 Gigabit pro Sekunde. Darüber hinaus erzielt der Sensor eine Quanteneffizienz von 86 % bei 510 nm, verfügt über eine Vollkapazität von 30 ke⁻ und erreicht im HDR-Modus einen Dynamikumfang von fast 80 dB.
Bei diesen Geschwindigkeiten ist nicht mehr der Sensor der Flaschenhals, sondern die Datenleitung. Und genau da verlagert sich der Fokus von Pixeln auf Schnittstellen.
2. Wie sich Kamerahersteller anpassen
Tucsen hat diesen Wandel schnell erkannt. Seine neuesten Flaggschiff-Kameras –Leo 5514 Pro, DieLeo 3243 Pround dieGemini 8K TDISie alle sind darauf ausgelegt, enorme Datenmengen zu verarbeiten. Der Leo 5514 Pro streamt 14 MP mit bis zu 670 Bildern pro Sekunde. Der Leo 3243 Pro verarbeitet 32 MP mit 100 Bildern pro Sekunde. Und der Gemini 8K TDI arbeitet mit einer 8208-Pixel-Zeile und einer rasanten Taktfrequenz von 1 MHz.
Statt auf 100-Gigabit-Ethernet zu setzen, entschied sich Tucsen für 100-Gigabit-CoaXPress-over-Fiber (CoF). Auf den ersten Blick mag das überraschen – schließlich gilt Ethernet als Plug-and-Play-fähig und ist bei niedrigeren Geschwindigkeiten (1–10 Gbit/s) oft die naheliegende Wahl. Doch bei 100 Gbit/s ist Ethernet nicht mehr so einfach wie ein Kabeltausch; es erfordert dedizierte Karten, sorgfältige Konfiguration und oft einen erheblichen Entwicklungsaufwand.
CoF hingegen ist von Grund auf für die Bildgebung konzipiert. Es garantiert, dass keine Bilder verloren gehen, die Zeitmessung präzise bleibt und Glasfaserkabel ohne EMV-Probleme über lange Strecken verlegt werden können. Ebenso wichtig ist, dass CoF die Hardware-Synchronisierung mehrerer Kameras unterstützt, was in Bereichen wie der Halbleiterinspektion, der wissenschaftlichen Bildgebung und der VR-/3D-Aufnahme unerlässlich ist.
Tucsen hat Ethernet nicht gänzlich aufgegeben, aber bei diesen High-End-Modellen hat man sich strategisch dafür entschieden, sich zunächst auf CoF zu konzentrieren.
3. CoF vs. 100-GbE-Ethernet – Warum sie sich so unterschiedlich anfühlen
Auf dem Papier versprechen sowohl CoF als auch 100-GbE-Ethernet 100 Gigabit pro Sekunde. In der Praxis verhalten sie sich jedoch ganz anders, sobald man eine echte Kamera anschließt.
Der erste große Unterschied liegt in der Datenübertragung. CoF ist deterministisch – es wurde speziell für die verlustfreie und sequenzielle Übertragung von Kameradaten mit vorhersehbarer Latenz entwickelt. Genau das ist nötig, wenn ein Sensor wie der GSPRINT5514 kontinuierlich fast 95 Gbit/s ausgibt. Ethernet hingegen arbeitet nach dem Best-Effort-Prinzip. Unter hoher Last können Pakete verloren gehen, sich verzögern oder in falscher Reihenfolge ankommen. TCP kann verlorene Daten wiederherstellen, erhöht aber die Latenz, während UDP die Latenz niedrig hält, aber das Risiko birgt, Frames vollständig zu verlieren. Bei Inspektionen oder wissenschaftlichen Anwendungen kann bereits ein einziger fehlender Frame einen Datensatz unbrauchbar machen.
Der zweite Unterschied liegt im Protokoll-Overhead. CoF minimiert die Frame-Aufwandlung, sodass nahezu die gesamte Verbindung für Bilddaten zur Verfügung steht. Ethernet hingegen verbraucht erhebliche Bandbreite für Header und Netzwerkfunktionen. Zwar lässt sich mit Jumbo-Frames oder RDMA noch mehr Bandbreite herausholen, doch das ist mit Aufwand verbunden. Wenn Ihr Sensor bereits ca. 94,8 Gbit/s verbraucht, ist zusätzlicher Overhead das Letzte, was Sie brauchen.
Dann stellt sich die Frage der Verkabelung. CoF nutzt Glasfaser, die sich über Hunderte von Metern erstrecken kann, ohne dass es zu elektromagnetischen Störungen kommt. Ethernet kann zwar auch Glasfaser verwenden, jedoch nur mit zusätzlichen Transceiver-Modulen und oft über Netzwerk-Switches, was die Kosten erhöht und mitunter Jitter verursacht.
Die Synchronisierung ist ein weiterer entscheidender Unterschied. CoF bietet Hardware-Triggerleitungen, Genlock und Zeitstempel mit einer Genauigkeit im Sub-Mikrosekundenbereich. Ethernet basiert auf dem IEEE-1588-PTP-Protokoll. Obwohl PTP bei optimaler Konfiguration hervorragende Ergebnisse liefern kann, setzt es eine korrekte Netzwerkkonfiguration voraus – und selbst dann erreicht es selten die Präzision von Hardware-Triggern.
Die Stromversorgung spricht ebenfalls für CoF. Hybride Implementierungen oder PoCXP (Stromversorgung über CoaXPress) können höhere Leistungsbudgets bereitstellen, um gekühlte Hochleistungskameras zu unterstützen. Standard-Ethernet mit PoE erreicht hingegen üblicherweise maximal etwa 30 Watt, was für anspruchsvolle Sensoren oft nicht ausreicht.
Abschließend sollten Sie bedenken, was auf dem Host-Computer geschieht. CoF verwendet Framegrabber, die Daten per DMA direkt in den Speicher schreiben. Dadurch wird die CPU-Auslastung gering gehalten und Ressourcen für die Echtzeitverarbeitung stehen zur Verfügung. Ethernet hingegen, selbst mit modernen Netzwerkkarten und Umgehungstechniken, verbraucht bei der Verarbeitung von 100-Gbit/s-Paketen tendenziell viele CPU-Zyklen.
Zusammengenommen erklärt dies, warum sich CoF in der Bildverarbeitung nahtlos einfügt, während Ethernet einem Integrationsprojekt gleicht. CoF ist in der Bildverarbeitung bereits standardisiert und verfügt über ausgereifte Framegrabber, SDKs und Herstellerunterstützung. Ethernet ist zwar universell einsetzbar, doch um es bei 100 Gbit/s wirklich „kameratauglich“ zu machen, ist eine sorgfältige Systemplanung erforderlich, die die Verantwortung auf den Systemintegrator verlagert.
4. Fazit
Ja, sowohl CoF als auch 100-GbE-Ethernet werben mit derselben Datenrate. Doch nur CoF liefert diese Bandbreite deterministisch, verlustfrei und kameraoptimiert. Für Hochgeschwindigkeitssensoren wie den GSPRINT5514 oder für Tucsens eigene Modelle Leo 5514 Pro, Leo 3243 Pro und Gemini 8K TDI ist die Wahl eindeutig. CoF garantiert, dass keine Frames verloren gehen, die Synchronisation gewährleistet ist und die Integration unkompliziert bleibt.
