机器视觉接口概述

采用10GigE接口的特长

• 此接口基于面向数据中心和IT基础设施的数据传输标准构建。这意味着它的核心技术可以持续得到各主要以太网IT业务参与者（例如Google、Cisco、IBM和Intel）的改进和巩固。

• 随着GigE Vision兼容软件和硬件设备的大量使用，跨越多网络进行的集成工作得到了大大简化。这有助于提高机器视觉应用的可扩展性和灵活性。

• 该接口不需要使用Frame Grabber。大多数系统采用支持GigE/10GigE的标准网络适配器卡。这些设备价格便宜，可在许多供应商处购买，从而有助于降低系统成本。

• 还可节省布线和维护成本。可很容易地在各IT硬件商店中买到GigE电缆。这些电缆及其他网络组件易于更换且维护成本低，因此有助于减少库存。

• 可长距离工作。标准双绞铜线（Cat 6、Cat 6e、Cat 6a和Cat 7）均可用于10GigE连接。Cat 6和Cat 6e可支持最长55米的电缆，Cat 6a和Cat 7可支持最长100米的电缆。

• 基于GenICam，有助于为编程人员提供一致性、提供标准化的像素格式，并帮助改善与其他基于GenICam的接口的互操作性。

• 10GigE和GigE Vision支持多视频流，允许两个或两个以上的并行视频流使用同一个接口进行流式传输。这对于多传感器相机以及多处理器架构尤其有用。

• 可支持精确时间协议(IEEE 1588)，该协议是GigE Vision 2.0标准的一个组成部分。随着机器视觉应用中多相机系统应用越来越多，如何实现各种视觉和非视觉组件之间精确的时间同步对于最大限度减少抖动和其他不同步效应起着重要的作用。精确时间协议(PTP)可提供此功能。

• 能够以支持网络自动协商的方式来实施。这使10GigE可以向后兼容1000BASE-T (1 Gbps)和NBASE-T（2.5 Gbps和5 Gbps），从而帮助用户转换到更高的千兆速度。

课题

• 与所有GigE Vision接口一样，可能存在由IP网络配置引起的延迟问题。大多数高速实时 应用场景必须实现低延迟和防抖动。专注于主机和资源共享（在总线、内存、CPU、操 作系统、成像核心和图形库之间）的网络优化有助于最大限度减少延迟问题，但无法完 全消除此类问题。

• 需处理一些网络复杂性问题和网络带宽限制。例如，不同于真正的“即插即用”模型， 必须为多相机应用分配IP地址。此外，要在多相机应用中共享网络带宽，可能需要进行 复杂的包延迟设置，并且可能没有足够带宽来支持高速应用。

• 第三方软件工具可能无法全面支持新的多视频流相机。尽管多视频流是GigE Vision标准 中的一部分，但其在相机中的运用仍较为新颖。如果需要多视频流，则必须选择可提供 带示例代码的SDK（用于构建多视频流应用，以便充分利用此功能）的相机供应商。

• 可能需要使用单独的电缆来进行供电和/或触发。以太网供电(PoE)已经在传统 1000BASE-T (1 GigE)相机中得到广泛应用，可以通过同一电缆提供供电和传输数据。 但是，许多相机不支持通过以太网触发（在GigE Vision 2.0标准发布后，才支持通过以 太网触发）。因此，即使在支持PoE的情况下，许多应用仍需要使用两条电缆/连接。这 对于10GigE相机来说更具挑战性，因为它们的最大功耗可能会超过PoE标准所规定的 12.95W上限。虽然功耗上限为25.5W的PoE+ (IEEE 802.3at)是一个选择，但是该选择 更复杂，实施起来也更昂贵；许多10GigE相机只是简单地采用双电缆方案，其中的第二 个连接用于供电和I/O操作。

典型应用

事实上，几乎所有最先进IT硬件设备都集成了GigE，而且不要求使用特殊的Frame Grabber硬件，这使GigE Vision成为一种非常流行的机器视觉接口。这种用途在一些应 用中特别普遍，例如：

• 物联网(IoT)和工业4.0
  设备互连性对于工业4.0至关重要。借助数字工业技术的兴起，人们可以跨系统收集和
  分析数据。一些流行应用示例包括增材制造和生产流程、智能机器人自动化系统，以 及质量控制和监控。

• 盒装视觉系统
  GigE vision的系统并非完全即插即用，因为在网络系统中，可能需要先设置IP地址， 然后系统才能正常运行。然而，它们确实属于盒装视觉系统的范畴。它们可用于汽 车、半导体、食品分拣和回收、工业质量控制站、医疗诊断、交通系统和侦速摄影， 以及校准和调整设备等。

• 独立视觉系统
  这些视觉系统不与其他系统互连。它们主要用于检验较小的零部件，可帮助克服小型制造商所面临的规模限制。此类系统也常用作二级检查单元。典型示例包括汽车零部 件检查和显微镜检查。

• 智能视觉系统
  这些系统可包括嵌入式系统架构，是基于深度学习算法的实时AI/决策的理想之选。典型应用示例包括智能农业、食品分拣、汽车零部件检验等。

基于GigE Vision协议的光纤物理层的特长

• 基于10GBASE-SR标准的收发器可支持长距离（最长10千米）传输。长距离电缆在工业 和户外环境中很有用。

• 作为一种光纤，其传输噪声极低，可在很长距离内保持稳定，并且对大型工厂环境中设 备可能发出的外部噪声源（包括EMI和RFI）具有很高的抗扰性。

• 数据协议是GigEVision，因此数据包管理基于此完善的标准。

• 与固定接口（例如标准以太网连接器）相比，SFP+系统可配备任何适当类型的收发器 （请参阅上面的标准表）。

• 即使电缆很长，光纤成本也很低。

• 基于10GigE的SFP+模型可支持GigEVision协议支持的所有功能，包括多视频 流、PTP、块数据等。

课题

• SFP+收发器不向后兼容1 Gbps和NBASE-T速率，因此无法提供网络自动协商功能。

• 根据所选的收发器、接线板和距离延长器，整个系统的成本可能非常高。但是通常情况 下，需要此种网络架构的客户会意识到这些成本。

• 光缆易碎，需要妥善处理。

• 应使用额外的电缆来管理触发、编码器控制等功能。光纤仅用于物理传输。其他侧重于 操作方面的相机功能需通过连接到相机的其他电缆来运行。

典型应用

• 户外长距离
  许多户外应用（如铁路轨道检验、集装箱货物检验等）需使用很长的电缆。通常，成像模块位于远离PC和数据处理模块的位置。需要在恶劣条件下稳定地传输数据，因 此，光纤与SFP+收发器的使用是一项优势。

• 室内长距离
  一些工业应用（例如造纸）需要使用尺寸超出100米的大型机械。检验单元通常位于造纸设备中的重要区域，其湿度和温度都很高。图像处理站通常远离控制室。

• 静电环境
  在电池和其他电子设备检验等应用场合中存在高静电。由于高导电性，无法使用双绞线铜千兆以太网。这使得光缆成为不二之选。

CXP接口的特长

• 可提供高吞吐量。凭借其最新标准，对于机器视觉应用，CXP可提供最大的原始数据吞 吐量。4xCXP-12连接将通过CXP-12提供高达50 Gbps以及每通道12.5 Gbps的带宽。

• 可高效支持多台高速相机。CXP的高带宽和多通道架构非常适合含多台高速/高分辨率相 机的应用场合。最多可以将四台相机连接到一个4xCXP-12Frame Grabber，从而通过 简单的点对点配置为每台相机提供12.5 Gbps的专用带宽。

• 可简化多重处理过程。CXP 2.0标准引入了多目标功能，使得可轻松将来自单一相机的数 据分配或复制到可能位于不同PC上的多个Frame Grabber。

• 支持长电缆（但是不及GigE Vision支持的长度）。可支持的同轴电缆的长度在200米 （对于CXP-1）到大约30米（对于CXP-12）范围之间，具体取决于所采用的标准和带 宽。通过使用更粗的同轴电缆或基于光纤的延长器，可以进一步延长此电缆长度。

• 静电噪声低。

• 支持通过单根电缆进行触发和供电。CXP接口供电(PoCXP)功能可为每个通道提供24V和 13W的电源。CXP标准还包括一个低速上行链路通道，用于通过Frame Grabber进行触 发或控制设备。

• 延迟和抖动极低。CXP触发操作的延迟通常小于5微秒，抖动为几纳秒，具体取决于 Frame Grabber。这是许多高速工业机器视觉应用（其中，GigE网络的延迟可能会造成 问题）中的重要功能。

• 广泛监管批准。由于CXP标准使用高速的标准同轴电缆，因此它也可用于受严格监管的 行业和应用，如医疗、生命科学和国防。在模拟系统中使用的电缆具有相同架构，因此 可更轻松地实现从模拟到数字的转换。

• 支持GenICam标准。这一直是CXP标准的基石，对于数据管理以及用于流式处理复杂 数据的各不同设备之间的兼容性非常重要。

• CXP电缆比Camera Link电缆更具成本效益。尽管CXP电缆通常比以太网电缆昂贵，但 它们的成本不到其他基于Frame Grabber的接口Camera Link所需的电缆的一半。一 条优质CXP电缆的价格在50至90美元（约42至76欧元）之间，而Camera Link电缆的 价格在150至200美元（约128至170欧元）之间。

课题

• 与GigE和USB接口不同，在实施CXP时需使用适当的插件卡或Frame Grabber。这是因 为，与GigE和USB不同，CXP不属于标准PC架构的一部分。因此，无法通过CXP接口使 用标准以太网基础设施来传输数据。

• 在支持高帧率的高分辨率相机中，最大功耗可能会超过单个CXP通道所支持的13W功 率。这就需要更复杂的PoCXP设计，包括更昂贵的Frame Grabber，以便通过捆绑的电 缆为多个通道供电。在这种情况下，PoCXP可能不受支持，或无法发挥全部优势。

• 在大多数情况下，基于CXP的视觉系统的总成本要高于GigE和USB系统。如果应用中确 实需要CXP性能，则通常无需考虑此问题。

典型应用

• 国防与医疗
  在这些类型的应用中，易于集成到现有同轴电缆系统、长电缆、高速数据传输以及CXP
  的复杂数据处理功能（例如链路共享）都非常有用。部分典型应用包括态势感知、目标 定位系统、边境和入境监视、手术实时观察等。

• 工业机器视觉
  低抖动和低延迟、高速实时触发、坚固灵活的电缆可帮助CXP在恶劣的工业环境中正常
  工作。典型应用包括对纸、金属和塑料箔的成卷产品进行检验，以及对半导体和PCB进 行检验。

Camera Link接口的特长

• 无缝支持多种配置/速率。根据应用要求，可选择不同的速率和组件（例如电缆）。

• 数字化传输过程不会丢失数据，且基于标准化信号进行。

• 提供多种型号和几何形状的连接器。可以夹紧或拧紧连接器，具体取决于应用和可用空间。 非常适合严苛的工业环境。

• 是最具“实时”特性的接口。与CXP一样，Camera Link具有专用的点对点信令通道，可用 于相机控制/触发。该触发功能可实现极低延迟（小于75纳秒），并确保对相机进行近乎实时 的确定性控制。

• Camera Link支持接口供电(PoCL)。在同时配备相机和Frame Grabber的情况下，不需要为 相机提供外部电源。所有类型的连接器和配置均支持PoCL功能。

课题

• Camera Link的电缆长度存在限制。对于85 MHz频率版本，Base和Medium配置被 限制为10米，Full配置被限制为5米，Deca配置被限制为4米。

• 与机器视觉领域中使用的其他接口电缆相比，CL电缆更昂贵。

• CL电缆的柔性较差，因此难以用在运动视觉组件中。

• 高带宽输出（超过2 Gbps）需要两条数据电缆，并可能需要将一条单独电缆用于供电 和I/O。大多数CL Frame Grabber具有2或4个连接器，最多可支持2个高速相机。这 使得多相机应用既复杂又昂贵。

典型应用

• 高速线阵扫描应用
  作为具有极低延迟和抖动的高速接口，Camera Link广泛用于打印、纸张、箔片和金 属检验等卷筒应用中。

• 可靠性应用
  得益于工作时的较高点对点可靠性，Camera Link还可用于须消除网络延迟或其他不 稳定因素的电子和半导体行业中的关键检验任务。

USB3 Vision接口的特长

• USB是用于连接计算机和外围设备的最流行的标准化方法。

• 作为标准PC架构的一部分，更换总线和电缆等零部件的过程既方便快捷又经济高效。

• 最新USB3 Vision标准支持完全即插即用功能。在绝大多数情况下，相机和PC芯片组之 间不存在兼容性问题。

• 由于带宽和可靠性的提高，USB3 Vision迅速取代了Firewire和USB 2.0接口。USB3 Vision接口向后兼容USB 2.0，从而支持轻松从本地USB 2视觉系统进行升级。

• 只要速率和分辨率适中，USB3 Vision就可以在多相机设置中高度兼容并正常工作。

• USB3Vision的基本设计基于GenICam，这有助于为编程人员提供一致性，并与其他基 于GenICam的接口更好地互操作。

• 与GigE Vision等网络接口相比，具有更低延迟和抖动，但是无法实现Camera Link或 CoaXPress的近乎实时的性能。

• 可变图像尺寸：USB3 Vision可以通过预先向主机提供图像相关信息来发送不同尺寸的 图像。

• 低CPU负载：通过使用零复制（直接内存访问，DMA），使得图像检索程序所需的CPU 负载非常低。

• USB 3.0为所连接的设备提供4.5W的电源。这意味着许多基本型相机可以在没有额外电 源的情况下工作。

• 其简单性可以降低系统成本，同时仍可提供比标准1000BASE-T GigE Vision快三倍的速 度。

课题

• USB 3.0 Vision的电缆长度被限制为5米，这使其他接口（尤其是GigE Vision）在某些类型 的应用中具有显著优势。

• 4.5W电源通常无法满足高性能、高分辨率相机的要求，因此这些相机没有USB3 Vision接 口，或者需要单独的电源连接。

• USB 3.0是第一种广泛用于PC外围设备的消费类接口，因此在选择电缆、集线器和其他工业 应用设备时必须谨慎。许多消费级USB附件无法满足机器视觉应用的要求，从而导致不稳 定、性能低下和现场故障。

典型应用

• 即插即用：
  USB3 Vision接口以其桌面、即插即用功能而闻名，被广泛运用于显微镜、独立检 验系统、便携式检验设备等领域。

• 多相机环境：
  通过使用基于集线器的拓扑结构，USB3 Vision可有效地用于许多类型的中速多相 机环境，例如机器臂、自动车辆以及用于提供360度视角的多相机虚拟现实头盔上 的3D视觉系统。