工業(yè)相機(jī)接口對(duì)視覺系統(tǒng)重要因素有哪些

「根據(jù)具體應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)?a target="_blank">接口」

當(dāng)今的工業(yè)相機(jī)會(huì)使用各種類型的電纜和連接器。確定哪種相機(jī)接口對(duì)視覺系統(tǒng)重要，具體取決于本指南中將要探討的幾個(gè)因素。本指南還將涵蓋其他因素，例如帶寬容量、電纜長(zhǎng)度和額外硬件支持，并舉例說明目前可用這些接口的當(dāng)前相機(jī)型號(hào)。本指南旨在探索和了解工業(yè)和科學(xué)面陣相機(jī)市場(chǎng)中的可用接口，以及各自的關(guān)鍵特性。

「相機(jī)接口」

工業(yè)相機(jī)和科學(xué)相機(jī)能夠通過各種圖像傳感器（相機(jī)成像器）選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)驚人的速度和分辨率。相機(jī)技術(shù)的前端傳感器設(shè)計(jì)不斷發(fā)展，后端相機(jī)接口也在不斷發(fā)展。視覺系統(tǒng)引入新的連接器和電纜繼續(xù)推動(dòng)成像應(yīng)用邊界的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

USB3相機(jī)

談及容易使用的數(shù)字接口時(shí)，沒有什么能比得上USB（通用串行總線）。這種即插即用的接口誕生于1996年左右，并且當(dāng)時(shí)已經(jīng)有了一些顯著的改進(jìn)。演變進(jìn)化至USB3版本后，成像行業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，推動(dòng)了千兆速度的普及。如今，USB3已成為成像行業(yè)的主要產(chǎn)品，并且發(fā)展速度不斷加快。 USB3的第一個(gè)迭代是USB 3.0，經(jīng)過USB 3.1 Gen 1和USB 3.2 Gen 1等多次更名。后來，USB超過了USB2 480Mbit/s的速度限制，達(dá)到5Gbit/s。USB3連接器已廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品，不出所料，在工業(yè)和科學(xué)成像市場(chǎng)中，這款連接器也找到了一條繼續(xù)發(fā)展壯大的道路。 ? 如圖1所示，這款連接器支持配備緊湊型傳感器（小至1/2.8"）（搭載于新款Teledyne Lumenera Lt系列板級(jí)相機(jī)）的相機(jī)，以及即將上市的Teledyne Imaging相機(jī)搭載的大靶面APS-C傳感器。

圖1：Lt系列板級(jí)相機(jī)(左)和Lt系列相機(jī)(帶P-IRIS)(右)。 ? ?

USB3標(biāo)準(zhǔn)使用了多種連接器。標(biāo)準(zhǔn)USB3 Type-A等連接器常見于計(jì)算機(jī)和其他用于從相機(jī)捕獲圖像的主機(jī)設(shè)備。USB3 Type-B和USB3 Micro-B接口是工業(yè)相機(jī)常使用的兩種連接器，因?yàn)檫@兩種接口的鎖定連接器有助于固定長(zhǎng)達(dá)10米的電纜。由于USB成為計(jì)算機(jī)和許多其他電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)連接器，大多數(shù)設(shè)備均可采用這種從相機(jī)傳輸圖像數(shù)據(jù)必需的硬件。無需購(gòu)買圖像采集卡、特殊組件和電纜，USB3相機(jī)能夠提供性價(jià)比高的設(shè)置，并且可以進(jìn)行大量部署，但并不會(huì)增加視覺系統(tǒng)的意外成本。如需了解各種USB3相機(jī)選項(xiàng)，請(qǐng)?jiān)L問Teledyne Lumenera USB3相機(jī)產(chǎn)品頁。

除物理接口外，還通過基于GenICam通用編程接口的USB3 Vision提供軟件支持。USB3 Vision允許視覺系統(tǒng)在升級(jí)到新相機(jī)后繼續(xù)使用相同的軟件平臺(tái)。通過使用支持相同標(biāo)準(zhǔn)化USB3 Vision軟件的Lt-C/M4020B板級(jí)相機(jī)等相機(jī)，設(shè)計(jì)人員可以更改視覺系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，無需擔(dān)心產(chǎn)品的兼容性問題。有許多基于USB3 Vision平臺(tái)的軟件包。根據(jù)不同的制造商和所需功能，可以縮小軟件的選擇范圍。USB3 Vision軟件的示例包括Teledyne Imaging提供的LuCam和Sapera。

GigE相機(jī)

自2006年以來，使用GigE Vision即可實(shí)現(xiàn)可靠的高速圖像捕獲。通過使用Cat5和Cat6等以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)電纜，工業(yè)相機(jī)可以使用GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)一系列圖像捕獲速度。在工業(yè)成像行業(yè)中，常見的速度在1-5Gbit/s之間。

GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)基于Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，接受AIA監(jiān)管。通過GigE相機(jī)將網(wǎng)絡(luò)硬件集成到視覺系統(tǒng)中，使用戶具備能夠遠(yuǎn)程24/7全天候控制多臺(tái)相機(jī)的優(yōu)勢(shì)。擁有完整的GigE Vision系統(tǒng)，使用的所有相機(jī)都可以在同一軟件平臺(tái)上運(yùn)行。無需實(shí)際部署，相機(jī)就可以利用精確時(shí)間協(xié)議（PTP）與同步時(shí)間戳同步運(yùn)行。這意味著多相機(jī)拓?fù)涫情_發(fā)GigE視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

1GigE相機(jī)

顧名思義，1GigE相機(jī)能夠達(dá)到1Gbit/s的速度。這種類型的帶寬通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)電纜（如圖2所示）傳輸?shù)街鳈C(jī)PC或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的目的在于能夠輕松同步許多連接設(shè)備，例如與PTP連接的設(shè)備。然而，PTP僅作為確保相機(jī)之間時(shí)間戳同步的一種方式，因此需要實(shí)現(xiàn)其他的獨(dú)特功能，例如Teledyne DALSA的GigE相機(jī)中的功能，以完全同步GigE Vision系統(tǒng)中的相機(jī)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)圖像捕獲。這意味著可以嚴(yán)格控制多臺(tái)相機(jī)的圖像采集，以避免相機(jī)預(yù)計(jì)圖像拍攝時(shí)間與圖像捕獲時(shí)間不一致。 ? GigE相機(jī)的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是可以可靠保持這些速度，以便能夠在工廠自動(dòng)化和檢查等應(yīng)用中持續(xù)使用，電纜長(zhǎng)度可達(dá)100米。如需查看Genie Nano 1GigE相機(jī)的完整清單（比如圖3中列出的相機(jī)），請(qǐng)?jiān)L問Teledyne DALSA產(chǎn)品頁。 ?

5GigE相機(jī)

顧名思義，5GigE相機(jī)的速度可達(dá)5Gbits/s。這意味著帶寬提高了五倍，但使用5GigE相機(jī)和接口相關(guān)的成本很可能會(huì)低得多，僅略高于1GigE。真正的價(jià)格差異取決于相機(jī)的傳感器選擇。5GBASE-T鏈接速度可以實(shí)現(xiàn)提速。因此，5GigE視覺系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致成本增加，但如果系統(tǒng)允許，則速度會(huì)大幅提升。 每臺(tái)相機(jī)均采用GigE標(biāo)準(zhǔn)后，系統(tǒng)可以在簡(jiǎn)單的軟件上運(yùn)行，例如Teledyne Imaging Sapera平臺(tái)，從而有助于OEM類型應(yīng)用充分利用每臺(tái)相機(jī)的功能。 有關(guān)需要大數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用，請(qǐng)參閱Teledyne DALSA提供Genie Nano 5GigE系列相機(jī)。采用標(biāo)準(zhǔn)Genie Nano相機(jī)機(jī)身和Genie Nano XL外形尺寸的Genie Nano 5GigE相機(jī)組如下圖4所示。 ? ? TurboDrive可以提高標(biāo)準(zhǔn)GigE相機(jī)所達(dá)到的速度，從而有可能將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速率提升一倍。Teledyne DALSA這一非比尋常的升級(jí)能夠使595Mbytes/s的典型5GigE連接速度幾乎翻倍，可達(dá)985Mbytes/s。TurboDrive不依賴完全不同的硬件，而是采用Teledyne DALSA相機(jī)現(xiàn)有的GigE連接，可以將速度提高20-150%。這種性能升級(jí)不會(huì)使視覺系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)丟失增加的風(fēng)險(xiǎn)，相反地，使用TurboDrive的相機(jī)通?？梢砸詢杀兜膸蔬\(yùn)行。由于幀率提高，這使得裝配線成像等應(yīng)用能夠以雙倍速度運(yùn)行，從而使生產(chǎn)速度高效翻倍。該技術(shù)適用于1/4"和APS-H傳感器畫幅的各種Genie Nano GigE產(chǎn)品（包括1GigE 和5GigE），如圖5所示。 ?

對(duì)USB和GigE等接口標(biāo)準(zhǔn)的命名和速度的理解可能會(huì)令人非常困惑。為闡明這兩種接口的具體情況，Teledyne Lumenera在博文《USB和GigE：成像系統(tǒng)相機(jī)接口的演變》中深入探討了這兩種接口。

CoaXPress

與USB3或GigE相機(jī)不同，CoaXPress（CXP）使用需要連接到圖像采集卡的同軸電纜。圖像采集卡也稱采集卡。主機(jī)中搭載圖像采集卡，可以幫助處理相機(jī)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)。需要圖像采集卡來使用CXP相機(jī)捕獲圖像，好處是性能顯著提高。圖像采集卡作為主機(jī)的物理升級(jí)設(shè)備，賦予整個(gè)視覺系統(tǒng)更多的能力來處理圖像數(shù)據(jù)并增加系統(tǒng)的整體帶寬。利用相機(jī)背面的多個(gè)連接器和圖像采集卡，可以增加單臺(tái)CXP相機(jī)的帶寬，從而打開更多通道讓數(shù)據(jù)流通過。圖6舉例說明了Teledyne DALSA Xtium系列圖像采集卡，其中四個(gè)同軸連接器將位于計(jì)算機(jī)背面面板上。 ? ? CXP相機(jī)的背面可以容納四個(gè)連接器，如圖7所示。該接口能夠在每個(gè)通道上實(shí)現(xiàn)6.25Gbit/s的速度。所有這些通道都插入一個(gè)圖像采集卡時(shí)，視覺系統(tǒng)可以使帶寬實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。單通道速度乘以4以及一個(gè)搭載Genie Nano CXP相機(jī)的視覺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)25Gbit/s的速度。這些速度是CXP6標(biāo)準(zhǔn)的一部分，可以使用長(zhǎng)35米的同軸電纜得以實(shí)現(xiàn)。 ? ? 如需了解CXP相機(jī)的所有選擇，請(qǐng)?jiān)L問Teledyne DALSA Genie Nano CXP相機(jī)產(chǎn)品頁，有關(guān)CXP相機(jī)圖像采集卡相關(guān)的信息，請(qǐng)查看圖像采集卡產(chǎn)品頁。

Camera Link接口

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化相機(jī)接口，Camera Link（如圖8所示）的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，可改善相機(jī)和圖像采集卡之間的連接。Camera Link首發(fā)于2000年，隨后更新至Camera Link 2.0，提供了新的選項(xiàng)，例如用于小型相機(jī)的 Mini Camera Link連接器、Power over Camera Link（PoCL）和PoCL-Lite（更小的PoCL電纜）。 ? ? 使用Camera Link，電纜長(zhǎng)可達(dá)10米，而在全/80-bit容量下，最長(zhǎng)可支持7米的電纜。Camera Link相機(jī)同時(shí)具備全輸出和80-bit輸出，需要兩條電纜連接至圖像采集卡，以充分利用最大圖像數(shù)據(jù)吞吐量。 在基本配置中，Camera Link相機(jī)使用單根電纜的速度可達(dá)到255Mbyte/s，在Deca配置中使用兩根電纜速度可達(dá)到850Mbyte/s。此外，視覺系統(tǒng)還可以將雙基配置中的兩臺(tái)相機(jī)連接至一個(gè)圖像采集卡，并非使用兩條電纜連接一臺(tái)相機(jī)。因此主機(jī)PC能夠通過一個(gè)接口控制多臺(tái)相機(jī)。

Teledyne DALSA通過具備CamExpert和GenICam合規(guī)的Sapera LT為Camera Link相機(jī)提供軟件支持。借助更新版軟件，搭載Camera Link的視覺系統(tǒng)可以升級(jí)到新型號(hào)，因?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)不斷向前發(fā)展。訪問Genie Nano Camera Link產(chǎn)品頁了解有關(guān)不同可用型號(hào)的更多信息。

Camera Link HS

在Camera Link開發(fā)的基礎(chǔ)上，截至2012年，Camera Link HS（CLHS）一直使用SFP、SFP+、CX4和光纖電纜等標(biāo)準(zhǔn)布線解決方案，以最大限度增加電纜長(zhǎng)度、提高速度。得益于這些選項(xiàng)，CLHS相機(jī)可以通過銅纜實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)15米的連接，通過光纖電纜實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)5000米的連接，每條通道的吞吐量高達(dá)8.4Gbit/s，單根電纜最多可連接至7條通道。下文圖9列舉了CLHS相機(jī)的示例，該相機(jī)為中畫幅Falcon4 86M相機(jī)。 ?

? 使用M協(xié)議每通道可實(shí)現(xiàn)3.125Gbit/s，使用X協(xié)議每通道可達(dá)10.3Gbit/s的速度，因此與其他接口相比，CLHS可以以更快的速度從與Falcon4系列8600萬超高像素傳感器一樣大的傳感器提供圖像。與較小的Genie Nano 1GigE相機(jī)相比，這種中畫幅傳感器尺寸可以在圖10中可視化。有效帶寬比1GigE連接增加60倍。 ?

? Falcon4系列的主打產(chǎn)品是高分辨率86M型號(hào)和Falcon4- clhs M4480相機(jī)（如圖11所示），這兩款相機(jī)搭載Teledyne e2v Lince11M傳感器，可以以高達(dá)609幀/秒的幀率傳輸大量圖像。圖像采集卡有助于最大限度地減少主機(jī)CPU的負(fù)荷，并通過板載數(shù)據(jù)傳輸引擎（DTE）集中圖像采集。Xtium還采用Teledyne DALSA的Trigger to Image Reliability框架，以確保圖像數(shù)據(jù)在任何時(shí)候都不會(huì)因觸發(fā)、圖像捕獲和數(shù)據(jù)傳輸而受到損害。 ?

「開銷和編碼」 每個(gè)接口都有可能達(dá)到理論最大帶寬。然而，這個(gè)數(shù)字忽略了將數(shù)據(jù)從相機(jī)傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備所涉及的許多實(shí)際開銷。每個(gè)接口都會(huì)有某種形式的編碼，但兩臺(tái)類似相機(jī)之間的編碼可能會(huì)有所不同。例如，如果兩臺(tái)相機(jī)搭載相同的傳感器，但一臺(tái)使用1GigE而另一臺(tái)使用5GigE，則編碼會(huì)不同。編碼是衡量設(shè)備在將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)之前打包數(shù)據(jù)的效率指標(biāo)，例如計(jì)算機(jī)從相機(jī)收集圖像數(shù)據(jù)。USB3、1GigE和CXP使用8/10編碼，這意味著編碼過程損失了大約20%的帶寬。5GigE接口使用效率更高的64/66編碼，只有大約3%的開銷。Camera Link接口并不使用相同類型的開銷，因此損失了大約5%的帶寬。產(chǎn)生這種限制的原因在于圖像幀之間的間隙，這種間隙是圖像數(shù)據(jù)集（稱為數(shù)據(jù)線）與相機(jī)時(shí)鐘同步的結(jié)果。后繼接口CLHS也采用64/66編碼。

然而，對(duì)于CLHS帶寬最大化而言，圖像采集卡帶寬限制是更為迫切的問題。大多數(shù)圖像采集卡的設(shè)計(jì)仍然無法充分利用與Camera Link HS接口一樣快的理論速度。此外，許多圖像采集卡用來與主機(jī)通信的8通道PCI Express（PCIe）3.0接口的帶寬潛力尚未與某些工業(yè)接口達(dá)到一致。隨著PCIe 4.0的到來，這種限制將逐漸消失，未來的更新將更普遍被圖像采集卡技術(shù)采用。 除接口之外，視覺系統(tǒng)仍有許多其他復(fù)雜的部分影響著實(shí)際帶寬潛力。在視覺系統(tǒng)可以輸出的潛在帶寬方面，相機(jī)傳感器甚至比接口更重要。根據(jù)不同的規(guī)格，包括但不限于傳感器的時(shí)鐘速度和與視覺系統(tǒng)其余部分通信的傳感器接口，相機(jī)可以輸出的數(shù)據(jù)量可能會(huì)發(fā)生很大變化，而不僅僅是GigE、USB、CXP或CLHS等物理接口。

「結(jié)論」 由于市場(chǎng)上存在各種各樣的可用相機(jī)接口，很難確定哪個(gè)接口最適用于特定成像應(yīng)用。但是，通過了解每個(gè)接口的帶寬、同步、部署難度和電纜長(zhǎng)度等情況，接口選擇可能會(huì)變得相對(duì)容易。 通過比較各個(gè)接口的帶寬（如圖12所示），用戶可以清楚地了解圖像數(shù)據(jù)采集的差異。使用CXP或CLHS相機(jī)將為視覺系統(tǒng)提供更高的帶寬，但在不需要或無法使用圖像采集卡的應(yīng)用中，USB和GigE等接口也是不錯(cuò)的選擇。決定哪個(gè)接口最適用于特定系統(tǒng)取決于具體的應(yīng)用需求。如需了解更多有關(guān)選擇合適相機(jī)和接口支持成像應(yīng)用的信息，請(qǐng)聯(lián)系我們的成像專家，他們會(huì)很樂意與您進(jìn)行討論。您可通過lumenera.info@teledyne.com聯(lián)系這些專家。 相機(jī)接口速度比較

1-GigE的倍數(shù)

圖12：不同相機(jī)接口和其帶寬比較

編輯：黃飛

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