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机器视觉接口的分类介绍

机器视觉是未来人工智能领域的核心技术。从工业视觉到计算机视觉,从人机交互到自动驾驶,从虚拟现实到物体自动识别,机器视觉都担当着重要角色。机器视觉在工业、农业、国防、军工、交通、医疗、金融甚至体育、娱乐等等行业都获得了广泛的应用,将对我们的生活、生产和工作带来革命性的改变。

机器视觉是未来人工智能领域的核心技术。从工业视觉到计算机视觉,从人机交互到自动驾驶,从虚拟现实到物体自动识别,机器视觉都担当着重要角色。机器视觉在工业、农业、国防、军工、交通、医疗、金融甚至体育、娱乐等等行业都获得了广泛的应用,将对我们的生活、生产和工作带来革命性的改变。

在机器视觉的应用过程中,选择正确的接口是您选择摄像头过程的一项重要因素。今天小菲就给大家讲讲机器视觉可用的不同电缆连接器类型以及相关利弊。

机器视觉接口的分类

专用型接口

此类接口适用于需要极高速或超高分辨率应用;例如,用于检测纸质或塑料薄膜生产这类连续流水作业的行扫描摄像头,其工作频率一般处于kHz水平。然而这些接口明显更加昂贵,灵活性更低,而且会增加系统复杂性。此类应用通常使用Carmeralink(支持最大 6.8Gbit/s 数据传输)和CoaXPress(支持最大 12Gbit/s 数据传输)这些专用型机器视觉接口。采用这些接口的系统除了需要摄像头外,还需要图像采集卡,它们是专门用于接收图像数据并组合成可用图像的适配卡。专用型机器视觉接口还要使用专用线缆,增加了与外围设备集成的难度。

CoaXPress (CXP)

CoaXpress接口发布于 2008 年,用于支持高速成像应用。CXP接口使用75ohm同轴电缆,每个通道的数据传输速度最大可达6.25Gbit/s,同时能通过多个通道支持更快的数据传输速度。一条CXP电缆最大能提供13W的功率,要求“设备”和“主机”同时支持GenICam摄像头编程接口。尽管单通道同轴电缆的价格实惠,但如果要设置多通道电缆总成和图像采集卡,成本将迅速增加。

Cameralink

Cameralink标准由国际自动成像协会(Automated Imaging Association,简称 AIA)在 2000年设立,历经不断更新,目的是支持更高的数据传输速度,其中一些版本需要两条传输电缆。三种可用的主要配置包括:基本 (2.04Gbit/s)、中档 (5.44Gbit/s) 和进阶/扩展 (6.8Gbit/s)。基本标准使用MDR(“Mini D Ribbon”)26针连接器,中档/完整配置使用两条电缆,能力翻倍。进阶/扩展版本超越Cameralink规定的极限,可以承载最大6.8Gbit/s的数据传输。Cameralink和CXP接口同样都需要图像采集卡,而且还额外要求兼容于Camera link供电模式(Power over Camera link,简称 PoCL)标准以便供电。Cameralink缺少纠错或重发功能,需要进行昂贵且繁杂的电缆设置,以便提高信号完整性,力图避免图像丢失。

消费型接口

此类接口使机器视觉摄像头可以通过广泛可用的 USB以太网标准连入主机系统。对多数机器视觉应用而言,USB 3.1Gen 1和千兆以太网消费型接口具备便捷、速度、简单和价格合理的组合优势。此外,消费型接口支持通过广泛可用的硬件和外围设备执行机器视觉功能。您可以从亚马逊 (Amazon) 或您当地电脑城或电子产品店购买USB和以太网集线器、交换机、电缆和接口卡,不同的价格都能满足您的需求。大多数 PC、笔记本和嵌入式系统均至少包含一个千兆以太网或USB 3.1 Gen 1端口。

这些接口类别的最大区别是带宽。在既定分辨率条件下,更快的接口支持更高的帧率(图1)。更快的接口让您每秒捕捉更多图像或捕捉分辨率更高的图像,同时又不影响吞吐量。

机器视觉接口的分类介绍

图 1. 每种接口的可用带宽与传感器分辨率和最终帧率。

举例来说,半导体晶片检测系统的晶片如果从8” 升级到12”,需要分辨率更高的摄像头。这种情况下,系统设计人员需要在“保留现有接口”和“牺牲吞吐量换取更高分辨率”两者间作出选择,或者升级为更快接口来维持或提高吞吐量。

您对分辨率、帧率、电缆长度和主机系统组态的要求均应纳入考量,方能确保获得所需性能,同时不需要花费超出需求的成本。FLIR 的机器视觉摄像头支持所有三种可信赖且广泛可用的接口。

通用串行总线 (USB)

USB随处可见。您可以看看四周有多少个USB设备和配件。您觉得这意味着什么?意味着大多数USB机器视觉摄像头使用的是USB 3.1 Gen 1接口。这种接口为摄像头和主机系统之间提供最大4Gibt/s的图像数据带宽。USB3视觉标准确定了一组常用的设备探测、图像传输和摄像头控制协议,有助于保障各种摄像头与软件的兼容性。

USB支持直接内存存取(DMA)。有了DMA功能,图像数据就可以从USB直接传送到内存,然后供软件使用。DMA同时具备在几乎所有硬件平台上对USB的广泛支持性和USB控制器驱动程序的可用性,使USB非常适合用于嵌入式系统。USB3.1 Gen 1电缆最长 5m,因此嵌入式系统基本不会出现电缆长度的问题。USB 3.1 Gen 1可以为摄像头提供最高4.5W的功率,简化了系统设计。近期确立的USB供电技术规格允许一些主机为快速充电手机这类设备提供更多电力,此技术规格独立于USB 3.1 Gen 1基础标准,但机器视摄像头制造商尚未采用。

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图 3. 不同类型的 USB 连接器

高度灵活的USB电缆有助于提高系统内(摄像头在其中频繁移动)电缆的使用寿命。有源光缆 (AOC) 可用于大幅延长工作距离并获得电磁干扰 (EMI) 电阻。有源光缆的性能取决于吞吐量要求和主机系统组态。使用有源光缆时,即便是可以通过电缆供电的类型,FLIR也建议在外部通过GPIO为摄像头供电。此外,锁定USB电缆将为电缆、摄像头和主机系统提供安全连接。购买锁定电缆前,因为其选项多样,FLIR建议检查锁定螺钉位置和间隔兼容性。

USB 3.1 Gen 1适用于FLIR BlackflyS – 盒装和板级版本和小型Firefly S。

千兆以太网 (GigE)

GigE 提供最大1Gbit/s的图像数据带宽。它综合了简便性、速度、最长100m电缆以及通过单条电缆为摄像头供电的能力等特性,是一种深受欢迎的摄像头接口。以太网电缆提供坚固屏蔽层。因此非常适合因某些机器人和计量设备的强大电机而产生较大电磁干扰的环境。FLIR GigE摄像头同时还拥有数据包重发功能,进一步增强传输可靠性。

与USB不同的是,GigE不支持DMA。包含图像数据的数据包传输到主机,并在其中重组为图像框架,之后再复制到软件可存取内存。这一过程对于现代PC而言是小菜一碟,但仍然会造成某些系统资源受限的低功率嵌入式系统的延迟。

Gigabit以太网的广泛使用意味着存在各种从电缆到交换机的支持产品,随时满足各类项目需求。GigE 摄像头支持IEEE1588 PTP时间同步协议,使摄像头和其他支持以太网的设备,如执行机构和工业可编程逻辑控制器,可以在准确同步的共同时间基础上运行。

以太网广泛应用于众多行业,促进许多专业电缆和连接器在各种用例中的可用性。例如,有的以太网电缆设计用于防范EMI(电磁干扰)、高温和化学制品,还有的可以满足高灵活性要求,等等。

以太网电缆拥有因结构而异的类别编号。GigE 最为常用的是CAT5e,而CAT6A、CAT7和CAT8 具备更高的EMI抗性,但成本更高,电缆直径更大。一些工业设备使用X-Coded M12(图3,右)连接器提供强化屏蔽,但对大多数应用来说,常见的RJ-45连接器便足以使用,成分更低,但说服力更强。此外,螺钉锁定的RJ45连接器提高了RJ45 缆的安全性。

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图 5. 普及广的 RJ45 连接器(左)和更不常见的 X-Coded M12 连接器(右)

注:RJ45连接器可以快速连接和断开。X-Coded M12连接器(右)连接更慢,但IP等级版本更稳固,适用性更好。

GigE 适用于FLIR Blackfly S – 盒装和FLIR Blackfly S – 板级摄像头。

万兆以太网 (10GigE)

10GigE将带宽提高到10Gbit/s,基于GigE的优势获得提升。10GigE是高分辨率3D扫描、容积捕捉和精密计量的理想选择。GigE和10GigE组合方式多样。可以将多台GigE摄像头连入一台10GigE交换机,实现主机系统上单10GigE端口全速运行多台GigE摄像头。由于CAT5e电缆只能在30m距离内运行于10GigE摄像头,因此推荐使用CAT6A或更高等级的电缆。

10Gbit/s的数据量很大!采用高速CPU、PCIe 3.0和双通道内存的现代PC系统足以处理这么大的数据量,而性能更强的系统则可以支持多台10GigE摄像头。系统资源减少的嵌入式系统一般无法达到跟进传入图像数据所需的内存带宽和处理器速度。

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