?隨著相機(jī)傳感器能夠傳輸越來(lái)越多的數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)?shù)慕涌趯?duì)于成像應(yīng)用而言越來(lái)越重要。兩種常用接口為USB和GigE。多年來(lái)，接口電纜和連接器發(fā)生千變?nèi)f化，因此全面回顧這些接口以及其與現(xiàn)代傳感器技術(shù)的比較將有助于說(shuō)明接口技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

帶 寬

了解成像系統(tǒng)的帶寬能力和要求對(duì)于利用高分辨率、更優(yōu)幀率和更快的傳輸速度至關(guān)重要。以下公式可用于確定接口是否滿足必要帶寬的要求。

B：帶寬。

R：像素?cái)?shù)；分辨率（像素高度乘以像素寬度）或相機(jī)的百萬(wàn)像素值。

f：幀率，即每秒拍攝的圖像數(shù)量（如30幀/秒）。

BD：位深度，如8、10、12、14、16等值。這些值在內(nèi)存中的儲(chǔ)存形式為8-bit，這意味著8-bit到16-bit的任何內(nèi)容在內(nèi)存中必須用16-bit表示。

用于除法的常量值表示如下：

8：將每秒位數(shù)轉(zhuǎn)換為每秒字節(jié)數(shù)。

1024：字節(jié)轉(zhuǎn)換為千字節(jié)。

1024：千字節(jié)轉(zhuǎn)換成兆字節(jié)。

這是測(cè)量視覺(jué)系統(tǒng)所需帶寬的實(shí)際示例。搭載-890萬(wàn)像素傳感器、USB 3.1 Gen 1（又稱USB 3.2 Gen 1）接口，幀率為19fps（幀/秒）的Teledyne Lumenera Lt945R相機(jī)拍攝12-bit圖像將需要324MB/s（兆字節(jié)/秒）的帶寬。此帶寬低于USB 3.1 Gen 1的最大輸出（約380MB/s），因此接口能夠充分利用傳感器。

在考慮使用哪種類型的接口時(shí)，主要關(guān)注點(diǎn)是帶寬。確保視覺(jué)系統(tǒng)能夠有效傳輸來(lái)自現(xiàn)代傳感器技術(shù)（例如Sony?Pregius?或Starvis?系列傳感器）的大量數(shù)據(jù)至關(guān)重要。如圖1所示，每一代Sony Pregius系列傳感器的實(shí)際帶寬不斷增加。第一代、第二代和第三代Pregius傳感器的帶寬分別為4.7、9.5和18.4Gbit/s（千兆位/秒）。

接 口

● USB接口

USB標(biāo)準(zhǔn)開始于USB 1.0，撰寫本文時(shí)，USB 3.2 Gen 2x2已經(jīng)發(fā)生了許多變化。在圖2中可以看到帶寬呈指數(shù)增長(zhǎng)，其中每一代的帶寬都至少翻了一倍。目前，USB 3有5、10和20 Gbit/s版本，經(jīng)歷了多次改名，但在演變過(guò)程中，常用的USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)依然保持不變。

因此，USB 3的原始5Gbit/s標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了不止一次的改名。這會(huì)讓許多試圖了解哪個(gè)名稱具體與哪個(gè)帶寬相關(guān)的消費(fèi)者感到費(fèi)解。應(yīng)注意的是，由于各種硬件并不總是像USB標(biāo)準(zhǔn)那樣經(jīng)常更新，仍然使用舊的USB版本名稱。下文圖3顯示了帶有相應(yīng)信息的各種USB版本。

USB連接器的類型多種多樣可能也會(huì)令消費(fèi)者困惑。但是，某些類型的連接器更常用于低端設(shè)備，而其他類型的連接器則常用于某些高端工業(yè)產(chǎn)品。工業(yè)用途中最常見的USB連接器類型如圖4所示。

許多視覺(jué)系統(tǒng)仍然使用的其他傳統(tǒng)USB連接器包括：USB 2 Type-A、USB 2 Type-B、USB 2 Mini-B和USB 2 Micro-B。根據(jù)設(shè)備的大小和形狀，可能適用的USB連接器類型更多。

● GigE接口

對(duì)于視覺(jué)系統(tǒng)與目標(biāo)（系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的服務(wù)器或計(jì)算機(jī)）之間距離較大的應(yīng)用，GigE接口可能是更好的解決方案。與USB的最大電纜長(zhǎng)度為10英尺不同，GigE的連接電纜可以延伸至100英尺。距離長(zhǎng)十倍，GigE相機(jī)可應(yīng)用于各種遠(yuǎn)程應(yīng)用，例如工廠自動(dòng)化或視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人。

使用10/25 GigE接口的視覺(jué)系統(tǒng)需要服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等特殊設(shè)備來(lái)處理特定協(xié)議。使用更高帶寬的GigE接口時(shí)需要CAT6電纜。這種電纜與辦公室或家中大多數(shù)調(diào)制解調(diào)器或路由器連接的常見CAT5網(wǎng)絡(luò)電纜不同。

由于舊版CAT5標(biāo)準(zhǔn)電纜的普及，開發(fā)一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)最大限度地提高CAT5性能。NBASE-T是一種向后兼容的標(biāo)準(zhǔn)，但能夠達(dá)到2.5和5Gbit/s的傳輸速度。這意味著舊版CAT5電纜可以實(shí)現(xiàn)高于標(biāo)準(zhǔn)GigE帶寬的傳輸速度，如圖5所示。

使用這些新版標(biāo)準(zhǔn)可以提高傳輸速度，但優(yōu)化硬件可以提供更高的幀率。高幀率對(duì)于工廠中的高速成像尤為重要，例如承載許多產(chǎn)品的移動(dòng)傳送帶或與移動(dòng)物體交互的機(jī)器人系統(tǒng)。幀率大幅提升意味著生產(chǎn)力提升，檢查和生產(chǎn)設(shè)備的速度更快。

● GigE設(shè)置與USB

如前所述，與服務(wù)器/計(jì)算機(jī)之間的距離成為影響因素時(shí)，GigE具有優(yōu)勢(shì)。但是，USB是一種更“即插即用”的接口，因此設(shè)置起來(lái)更簡(jiǎn)單。對(duì)于大多數(shù)計(jì)算機(jī)而言，GigE設(shè)備可能需要設(shè)置IP地址并用掉該設(shè)備唯一可用的網(wǎng)絡(luò)端口。

如前所述，帶寬更高的GigE標(biāo)準(zhǔn)（例如10/25 GigE）需要特殊的布線和設(shè)備才能運(yùn)行。另一方面，USB設(shè)備不需要注冊(cè)IP地址，大多數(shù)計(jì)算機(jī)甚至低端設(shè)備都有多個(gè)USB端口。

然而，將多臺(tái)GigE相機(jī)連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)時(shí)，電纜更長(zhǎng)意味著能夠在整個(gè)區(qū)域內(nèi)靈活定位。在出廠設(shè)置情況下，這些相機(jī)都可以拍攝運(yùn)動(dòng)部件的高速圖像。這些相機(jī)通常可以使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行整合，將每臺(tái)相機(jī)分配至同一個(gè)接口。

GigE相機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是GigE接口更容易配置到定制連接器，這種連接器需要切割或壓接電線以適應(yīng)特定設(shè)置。無(wú)論是整個(gè)設(shè)施中采用CAT 5電纜的建筑物，還是飛機(jī)的大型結(jié)構(gòu)；都很容易對(duì)GigE連接進(jìn)行調(diào)整，因此GigE是定制解決方案的首選接口。

● 更高的帶寬標(biāo)準(zhǔn)

在考慮視覺(jué)系統(tǒng)使用的接口時(shí)，很容易選擇帶寬更高的選項(xiàng)。然而，即使USB 3接口的帶寬高于標(biāo)準(zhǔn)GigE，也有許多GigE版本可以達(dá)到25 Gbit/s的帶寬，如圖6所示，其中比較了標(biāo)準(zhǔn)GigE和10 GigE。

兩種接口的更高帶寬標(biāo)準(zhǔn)仍然比較少見，目前正緩慢融入市場(chǎng)。不實(shí)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)的主要問(wèn)題與各種硬件制造商設(shè)計(jì)新框架所需的時(shí)間有關(guān)。與前幾年相比，標(biāo)準(zhǔn)的更新頻率更高，制造商必須選擇何時(shí)實(shí)施以及將哪些新標(biāo)準(zhǔn)與其產(chǎn)品集成。此外，市場(chǎng)上需要涌現(xiàn)大量更新標(biāo)準(zhǔn)的需求，才能使制造商將研發(fā)時(shí)間從其他潛在的升級(jí)中轉(zhuǎn)移出來(lái)。

● 開銷

特定接口的處理開銷通常不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生顯著影響。然而，對(duì)于使用大型成像集群進(jìn)行航空成像的大規(guī)模應(yīng)用，需要高準(zhǔn)確度才能創(chuàng)建鑲嵌圖。視覺(jué)系統(tǒng)的處理單元在此類應(yīng)用中至關(guān)重要，但使用GigE接口會(huì)給處理器帶來(lái)更重的負(fù)荷。因此，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要較低的處理壓力并進(jìn)行優(yōu)化來(lái)使用更短的電纜時(shí)，使用USB 3接口通常是最佳解決方案。如需了解鑲嵌圖和航空成像中使用多臺(tái)相機(jī)相關(guān)的更多信息，請(qǐng)閱讀我們的白皮書《在航空成像中使用單臺(tái)相機(jī)還是多臺(tái)相機(jī)》。

如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)慕涌诩夹g(shù)，視覺(jué)系統(tǒng)就無(wú)法充分發(fā)揮潛力。適當(dāng)接口的選擇問(wèn)題源自每個(gè)接口是否有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。即使帶寬不斷增加，接口實(shí)際上也只能傳輸傳感器理論最大帶寬的一小部分。圖2、5和6中列出的帶寬速度實(shí)際上是每個(gè)接口的理論限值。實(shí)現(xiàn)特定標(biāo)準(zhǔn)（如USB 3或GigE）的每件設(shè)備在穩(wěn)定比特率方面都會(huì)有所不同。每個(gè)設(shè)備都需要對(duì)通過(guò)接口傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行編碼。這個(gè)過(guò)程稱為處理開銷。這種編碼過(guò)程使特定設(shè)備實(shí)現(xiàn)宣傳或預(yù)期的帶寬。

● 電源要求和附加重量

使用GigE的電源需求通常高于USB。因此，GigE相機(jī)可能需要外部電源。但是，許多相機(jī)可以通過(guò)USB連接或以太網(wǎng)供電（PoE）（以太網(wǎng)電纜通過(guò)同一連接傳輸電力和數(shù)據(jù)）等方式供電。在大多數(shù)大畫幅相機(jī)上，USB或GigE都需要外部電源，但GigE相機(jī)消耗更多電量也會(huì)導(dǎo)致電源單元（PSU）消耗更多電量。

在航空成像等對(duì)重量敏感的應(yīng)用中，需要功率更高的PSU可能意味著需要增加飛行器的體積，因此可能會(huì)因重量增加而對(duì)飛行時(shí)間和飛行能力造成阻礙。對(duì)于需要最輕設(shè)計(jì)的電池供電無(wú)人機(jī)而言，這個(gè)問(wèn)題尤為重要。但應(yīng)注意的是，飛行器的接線可能非常復(fù)雜，導(dǎo)致需要更長(zhǎng)的電纜將PSU連接至相機(jī)。如果物理設(shè)計(jì)需要更長(zhǎng)的電纜，GigE接口可能是首選。對(duì)于需要其他硬件的10 GigE相機(jī)，體積和重量增加對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)可能會(huì)是一個(gè)重大的問(wèn)題，并且可能無(wú)法選擇特定的接口。

視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)USB3等接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，傳輸速度最終平均約為380MB/s，而不是3.1 Gen 1標(biāo)準(zhǔn)中支持的最大速度625MB/s。在評(píng)估各種可用選項(xiàng)時(shí)，必須考慮這些實(shí)際速度。目前，視覺(jué)系統(tǒng)領(lǐng)域采用的主要標(biāo)準(zhǔn)包括 USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)和GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)。更高帶寬的選項(xiàng)是USB3 Vision，相當(dāng)于用于成像應(yīng)用的USB 3.1 Gen 2標(biāo)準(zhǔn)。USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)采用相機(jī)通用接口（GenlCam）標(biāo)準(zhǔn)，這是視覺(jué)系統(tǒng)的典型底層軟件接口。

結(jié) 論

不同的應(yīng)用需要不同的相機(jī)。通過(guò)找到最適合特定應(yīng)用的視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連接能力、最小化處理要求的能力和最大化傳輸圖像數(shù)量的能力。

如需了解更多有關(guān)相機(jī)性能的信息，請(qǐng)聯(lián)系Teledyne Lumenera的成像專家，討論如何最大限度地提高成像性能。請(qǐng)聯(lián)系[email protected]。

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