機(jī)器視覺接口的分類介紹

機(jī)器視覺是未來人工智能領(lǐng)域的核心技術(shù)。從工業(yè)視覺到計(jì)算機(jī)視覺，從人機(jī)交互到自動駕駛，從虛擬現(xiàn)實(shí)到物體自動識別，機(jī)器視覺都擔(dān)當(dāng)著重要角色。機(jī)器視覺在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、軍工、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，將對我們的生活、生產(chǎn)和工作帶來革命性的改變。

在機(jī)器視覺的應(yīng)用過程中，選擇正確的接口是您選擇攝像頭過程的一項(xiàng)重要因素。今天小菲就給大家講講機(jī)器視覺可用的不同電纜和連接器類型以及相關(guān)利弊。

機(jī)器視覺接口的分類

專用型接口

此類接口適用于需要極高速或超高分辨率應(yīng)用；例如，用于檢測紙質(zhì)或塑料薄膜生產(chǎn)這類連續(xù)流水作業(yè)的行掃描攝像頭，其工作頻率一般處于kHz水平。然而這些接口明顯更加昂貴，靈活性更低，而且會增加系統(tǒng)復(fù)雜性。此類應(yīng)用通常使用Carmeralink（支持最大 6.8Gbit/s 數(shù)據(jù)傳輸）和CoaXPress（支持最大 12Gbit/s 數(shù)據(jù)傳輸）這些專用型機(jī)器視覺接口。采用這些接口的系統(tǒng)除了需要攝像頭外，還需要圖像采集卡，它們是專門用于接收圖像數(shù)據(jù)并組合成可用圖像的適配卡。專用型機(jī)器視覺接口還要使用專用線纜，增加了與外圍設(shè)備集成的難度。

CoaXPress （CXP）

CoaXpress接口發(fā)布于 2008 年，用于支持高速成像應(yīng)用。CXP接口使用75ohm同軸電纜，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸速度最大可達(dá)6.25Gbit/s，同時(shí)能通過多個(gè)通道支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。一條CXP電纜最大能提供13W的功率，要求“設(shè)備”和“主機(jī)”同時(shí)支持GenICam攝像頭編程接口。盡管單通道同軸電纜的價(jià)格實(shí)惠，但如果要設(shè)置多通道電纜總成和圖像采集卡，成本將迅速增加。

Cameralink

Cameralink標(biāo)準(zhǔn)由國際自動成像協(xié)會（Automated Imaging Association，簡稱 AIA）在 2000年設(shè)立，歷經(jīng)不斷更新，目的是支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，其中一些版本需要兩條傳輸電纜。三種可用的主要配置包括：基本 （2.04Gbit/s）、中檔 （5.44Gbit/s） 和進(jìn)階/擴(kuò)展 （6.8Gbit/s）?；緲?biāo)準(zhǔn)使用MDR（“Mini D Ribbon”）26針連接器，中檔/完整配置使用兩條電纜，能力翻倍。進(jìn)階/擴(kuò)展版本超越Cameralink規(guī)定的極限，可以承載最大6.8Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。Cameralink和CXP接口同樣都需要圖像采集卡，而且還額外要求兼容于Camera link供電模式（Power over Camera link，簡稱 PoCL）標(biāo)準(zhǔn)以便供電。Cameralink缺少糾錯(cuò)或重發(fā)功能，需要進(jìn)行昂貴且繁雜的電纜設(shè)置，以便提高信號完整性，力圖避免圖像丟失。

消費(fèi)型接口

此類接口使機(jī)器視覺攝像頭可以通過廣泛可用的 USB和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)連入主機(jī)系統(tǒng)。對多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用而言，USB 3.1Gen 1和千兆以太網(wǎng)消費(fèi)型接口具備便捷、速度、簡單和價(jià)格合理的組合優(yōu)勢。此外，消費(fèi)型接口支持通過廣泛可用的硬件和外圍設(shè)備執(zhí)行機(jī)器視覺功能。您可以從亞馬遜 （Amazon） 或您當(dāng)?shù)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦城或電子產(chǎn)品店購買USB和以太網(wǎng)集線器、交換機(jī)、電纜和接口卡，不同的價(jià)格都能滿足您的需求。大多數(shù) PC、筆記本和嵌入式系統(tǒng)均至少包含一個(gè)千兆以太網(wǎng)或USB 3.1 Gen 1端口。

這些接口類別的最大區(qū)別是帶寬。在既定分辨率條件下，更快的接口支持更高的幀率（圖1）。更快的接口讓您每秒捕捉更多圖像或捕捉分辨率更高的圖像，同時(shí)又不影響吞吐量。

圖 1. 每種接口的可用帶寬與傳感器分辨率和最終幀率。

舉例來說，半導(dǎo)體晶片檢測系統(tǒng)的晶片如果從8” 升級到12”，需要分辨率更高的攝像頭。這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要在“保留現(xiàn)有接口”和“犧牲吞吐量換取更高分辨率”兩者間作出選擇，或者升級為更快接口來維持或提高吞吐量。

您對分辨率、幀率、電纜長度和主機(jī)系統(tǒng)組態(tài)的要求均應(yīng)納入考量，方能確保獲得所需性能，同時(shí)不需要花費(fèi)超出需求的成本。FLIR 的機(jī)器視覺攝像頭支持所有三種可信賴且廣泛可用的接口。

通用串行總線 （USB）

USB隨處可見。您可以看看四周有多少個(gè)USB設(shè)備和配件。您覺得這意味著什么？意味著大多數(shù)USB機(jī)器視覺攝像頭使用的是USB 3.1 Gen 1接口。這種接口為攝像頭和主機(jī)系統(tǒng)之間提供最大4Gibt/s的圖像數(shù)據(jù)帶寬。USB3視覺標(biāo)準(zhǔn)確定了一組常用的設(shè)備探測、圖像傳輸和攝像頭控制協(xié)議，有助于保障各種攝像頭與軟件的兼容性。

USB支持直接內(nèi)存存?。?a href="http://ttokpm.com/tags/dma/" target="_blank">DMA）。有了DMA功能，圖像數(shù)據(jù)就可以從USB直接傳送到內(nèi)存，然后供軟件使用。DMA同時(shí)具備在幾乎所有硬件平臺上對USB的廣泛支持性和USB控制器驅(qū)動程序的可用性，使USB非常適合用于嵌入式系統(tǒng)。USB3.1 Gen 1電纜最長 5m，因此嵌入式系統(tǒng)基本不會出現(xiàn)電纜長度的問題。USB 3.1 Gen 1可以為攝像頭提供最高4.5W的功率，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。近期確立的USB供電技術(shù)規(guī)格允許一些主機(jī)為快速充電手機(jī)這類設(shè)備提供更多電力，此技術(shù)規(guī)格獨(dú)立于USB 3.1 Gen 1基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，但機(jī)器視攝像頭制造商尚未采用。

圖 3. 不同類型的 USB 連接器

高度靈活的USB電纜有助于提高系統(tǒng)內(nèi)（攝像頭在其中頻繁移動）電纜的使用壽命。有源光纜 （AOC） 可用于大幅延長工作距離并獲得電磁干擾 （EMI） 電阻。有源光纜的性能取決于吞吐量要求和主機(jī)系統(tǒng)組態(tài)。使用有源光纜時(shí)，即便是可以通過電纜供電的類型，F(xiàn)LIR也建議在外部通過GPIO為攝像頭供電。此外，鎖定USB電纜將為電纜、攝像頭和主機(jī)系統(tǒng)提供安全連接。購買鎖定電纜前，因?yàn)槠溥x項(xiàng)多樣，F(xiàn)LIR建議檢查鎖定螺釘位置和間隔兼容性。

USB 3.1 Gen 1適用于FLIR BlackflyS - 盒裝和板級版本和小型Firefly S。

千兆以太網(wǎng) （GigE）

GigE 提供最大1Gbit/s的圖像數(shù)據(jù)帶寬。它綜合了簡便性、速度、最長100m電纜以及通過單條電纜為攝像頭供電的能力等特性，是一種深受歡迎的攝像頭接口。以太網(wǎng)電纜提供堅(jiān)固屏蔽層。因此非常適合因某些機(jī)器人和計(jì)量設(shè)備的強(qiáng)大電機(jī)而產(chǎn)生較大電磁干擾的環(huán)境。FLIR GigE攝像頭同時(shí)還擁有數(shù)據(jù)包重發(fā)功能，進(jìn)一步增強(qiáng)傳輸可靠性。

與USB不同的是，GigE不支持DMA。包含圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)街鳈C(jī)，并在其中重組為圖像框架，之后再復(fù)制到軟件可存取內(nèi)存。這一過程對于現(xiàn)代PC而言是小菜一碟，但仍然會造成某些系統(tǒng)資源受限的低功率嵌入式系統(tǒng)的延遲。

Gigabit以太網(wǎng)的廣泛使用意味著存在各種從電纜到交換機(jī)的支持產(chǎn)品，隨時(shí)滿足各類項(xiàng)目需求。GigE 攝像頭支持IEEE1588 PTP時(shí)間同步協(xié)議，使攝像頭和其他支持以太網(wǎng)的設(shè)備，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)和工業(yè)可編程邏輯控制器，可以在準(zhǔn)確同步的共同時(shí)間基礎(chǔ)上運(yùn)行。

以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)，促進(jìn)許多專業(yè)電纜和連接器在各種用例中的可用性。例如，有的以太網(wǎng)電纜設(shè)計(jì)用于防范EMI（電磁干擾）、高溫和化學(xué)制品，還有的可以滿足高靈活性要求，等等。

以太網(wǎng)電纜擁有因結(jié)構(gòu)而異的類別編號。GigE 最為常用的是CAT5e，而CAT6A、CAT7和CAT8 具備更高的EMI抗性，但成本更高，電纜直徑更大。一些工業(yè)設(shè)備使用X-Coded M12（圖3，右）連接器提供強(qiáng)化屏蔽，但對大多數(shù)應(yīng)用來說，常見的RJ-45連接器便足以使用，成分更低，但說服力更強(qiáng)。此外，螺釘鎖定的RJ45連接器提高了RJ45 纜的安全性。

圖 5. 普及廣的 RJ45 連接器（左）和更不常見的 X-Coded M12 連接器（右）

注：RJ45連接器可以快速連接和斷開。X-Coded M12連接器（右）連接更慢，但I(xiàn)P等級版本更穩(wěn)固，適用性更好。

GigE 適用于FLIR Blackfly S - 盒裝和FLIR Blackfly S - 板級攝像頭。

萬兆以太網(wǎng) （10GigE）

10GigE將帶寬提高到10Gbit/s，基于GigE的優(yōu)勢獲得提升。10GigE是高分辨率3D掃描、容積捕捉和精密計(jì)量的理想選擇。GigE和10GigE組合方式多樣?？梢詫⒍嗯_GigE攝像頭連入一臺10GigE交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)上單10GigE端口全速運(yùn)行多臺GigE攝像頭。由于CAT5e電纜只能在30m距離內(nèi)運(yùn)行于10GigE攝像頭，因此推薦使用CAT6A或更高等級的電纜。

10Gbit/s的數(shù)據(jù)量很大！采用高速CPU、PCIe 3.0和雙通道內(nèi)存的現(xiàn)代PC系統(tǒng)足以處理這么大的數(shù)據(jù)量，而性能更強(qiáng)的系統(tǒng)則可以支持多臺10GigE攝像頭。系統(tǒng)資源減少的嵌入式系統(tǒng)一般無法達(dá)到跟進(jìn)傳入圖像數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存帶寬和處理器速度。