机器视觉：下一代相机高速接口

机器视觉：下一代相机高速接口

    本文概述并对比了下一代以太网、USB 、Camera Link以及CoaXpress标准，并就Thunderbolt3接口的技术潜力展开探讨。今后，这类相机接口将一如既往推动机器视觉产业的发展。
万兆以太网
    早在1983年将以太网作为IEEE 802.3标准之前的十年，以太网便已存在。自此，这项技术凭借可靠性、灵活性以及速率改良开始真正普及。到2016年，每售出两部机器视觉相机，当中就有一部采用了千兆以太网（GigE）技术。
    基于GigE的优势，万兆以太网（10GigE）传输速率超快，而延迟性极低。在10GB/秒的带宽下，10GigE FLIR Oryx能够在普通电缆上传输未压缩的12位4K60视频，传输距离超过60米。FLIR Oryx支持的万兆以太网使用常见的RJ45接头和双绞线铜芯电缆，即可实现10GBASE-T需求。
    IT行业已经在网络基础设施中广泛采用10GigE。在苹果和华硕等公司的支持下，迅速成为颇具吸引力的消费电器接口。10 GigE的广泛应用推动了基于各种低成本、高性能产品组成的强大生态系统的形成。
    以太网供电（PoE）标准的修订版本也已适时推出。IEEE 802.3bt支持万兆链路的以太网供电，不过尚未被广泛采纳。目前尚无PoE 10GigE机器视觉相机上市。
    10GBASE-T支持IEEE 1588精确时间协议（PTP），使得FLIR Oryx等相机能够自动将其内部时钟彼此同步并同步到其他以太网硬件上，无需用户管理。
USB 3.2
    最近落实的USB 3.2技术规范是这一流行接口下一代的主要版本。USB 3.2使用Type-C连接器的两侧来并行支持两个USB 3.1链路，传输速率可达20 GB/秒。从USB 3.0演变至USB 3.1导致了第一代与第二代之间的若干差异，而这种差异会延续至USB 3.2中。第一代和第二代链路之间的主要区别包括信号传输速率、编码效率以及最大电缆长度。第二代将信号传输速率从5 GB/秒提高到10 GB/秒，同时以更高效的128/132b编码代替了第一代中使用的8/10b编码。降低编码开销意味着第二代链路支持更接近信号传输速率的实际传输速率。第一代链路提供4 GB/秒的实际吞吐量，而第二代链路则支持高达9.7 GB/秒。
    第一代链路的最大电缆长度为五米，而第二代链路则限制在一米。在经济实惠的有源光缆出现之前，USB 3.2第二代的较短电缆可能会制约其广泛应用。

    USB线路编号和多代技术混合可能会令消费者混淆。USB 3.2接口未必比USB 3.1快。即使将USB 3.1第一代的低效率编码增加一倍，其连接速率仍然比USB 3.1第二代慢大约20％。每一代的电缆最大长度要求方面存在差异，即用户需要视具体接口属于第几代技术来选择适当长度的电缆。
USB支持直接内存访问（Direct Memory Access，DMA），可将图像数据从相机直接传输到系统内存中。对于内存带宽以及CPU功率有限的嵌入式应用来说，非常理想。

Thunderbolt3
    Thunderbolt接口在机器视觉产业尚未出现显著增长，但Thunderbolt3可能会改变这种现状。因为它同时兼具高达40GB/秒、易于使用以及常见的USB Type-C连接器这一实用组合。Thunderbolt3亦将支持USB供电规范，使其能够提供高达100W的功率。目前的电缆长度限制为50厘米，在可靠和高性价比的有源光缆面世之前，可能会制约这种接口的采用。
    尽管Thunderbolt3电缆的最大信号传输速率为40GB/秒，但实际吞吐量可能会大幅降低。主机与设备及其PHY之间的PCIe 3.0 x4连接可提供高达32GB/秒的带宽。冗余带宽用于传输HD和UHD监视器的DisplayPort信号。PHY的PCIe接口在主机端启用DMA。
    Thunderbolt技术由英特尔开发并维护，该公司最近宣布其所有新芯片组均将支持Thunderbolt3，同时还放宽了许可要求，鼓励第三方制造商采用这种接口。英特尔努力推动Thunderbolt3的采用，创造出非比寻常的消费者生态系统，其中Thunderbolt3主机广泛普及，但相应设备却不尽然。目前仍然没有Thunderbolt3机器视觉相机。
Cameralink
    CameraLink HS标准于2012年出台。不仅改进了原有的CameraLink接口，速率提升，同时电缆连接的灵活性增强。CameraLink HS标准还扩展了对多种电缆连接的支持，用户可以通过改变电缆长度来调整速率。上一代那种成本高昂又笨重的电缆淘汰了。CRC纠错和数据重发进一步改进了传输的可靠性。可以自动检测并纠正单比特传输错误。针对高速应用的额外带宽，最多可以并行运行八条电缆。
    尽管CameraLink HS功能增强，但并不属于消费电器用接口。虽然不支持DMA，但其设计用途包含了尽可能快速地将图像数据传输到FPGA中。在传入的CameraLink HS图像数据传递到用户之前，图像采集卡会接收并汇编这些图像数据，这种要求会增加视觉系统的成本，更复杂。对于通过多台计算机使用数据分割拓扑结构的系统来说，这种复杂性会加剧系统老化。
CoaXpress
     2017年年初公布的CoaXpress 2.0，性能和功能均有提升，重点支持高速应用。CoaXpress借鉴了通过HD-SDI实现4K60视频的技术，将单通道速率从6.25 GB/秒提高到了12.5 GB/秒。在12.5 GB/秒速率下，一条4芯电缆能够以每秒四千兆字节的速率从相机向主机传输图像数据。最大上行速率增加了一倍，有利于在500kHz以上的速率时触发。CoaXpress 2.0支持多目的地传输，因此相机可以将数据发送到多台主机计算机上的图像采集卡。
    CoaXpress 2.0保持了标准CoaXpress的40米最大电缆长度。尽管单通道同轴电缆的价格实惠，但多通道电缆总成和图像采集卡的成本迅速增加。
自动光学检测
    自动光学检测（AOI）应用存在着巨大的差异，即没有单一的理想接口。
    像印刷或薄膜制造这类连续进料的工艺需要具有帧率极高的相机。多通道CoaXpress和CameraLink HS提供的高带宽非常实用，其作用远胜于线阵相机。CoaXpress的多主机功能可使用多台计算机并行处理。
    许多检测系统还会受到除相机和接口速率以外的因素限制。例如，扇出型晶圆级封装领域的半导体检测等应用则会受到机械工艺的限制。对于这类应用，CameraLink HS和CoaXpress可能实现的高帧率不会显著提升系统性能，反而会大幅增加成本，且更复杂。USB 3.2和万兆以太网以其高度、易用和低生命周期成本等优势，成为检测应用的理想接口。
    有些AOI系统属于大型设备的一部分。电机和其他设备可能会产生不必要的电磁干扰（EMI）。USB 3.2和Thunderbolt3不适用于存在大量EMI的环境。要确保上述接口在易受EMI影响的环境中保持其可靠性，则需要开发性能稳定而且性价比高的有源光纤延长器。
    工业4.0可能是一个流行术语，但其系统运行的基本原理建立在基于一致性时间的控制之上，而不是基于事件的控制，体现了系统设计的重大转变。10GigE是唯一支持IEEE 1588精确时间协议（PTP）的下一代接口，可实现相机与其他以太网设备的同步。系统设计人员目前采用PTP作为未来实施工业4.0原理的关键性规范。
3D扫描
手持式
    手持式3D扫描系统是紧凑型电池供电的设备。结构紧凑、重量轻、功耗低，这是开发成功产品的关键。USB 3.2和Thunderbolt3适用于这类应用，其设备的电缆长度小于任何电缆长度限制。这类接口能够提供足够的带宽以支持高密度点云所需要的分辨率，并且帧率很高，扫描速度更快。
由于USB 3.2和Thunderbolt3不需要单独的图像采集卡，因此可以节省更多的空间。USB供电可用于为红外线投光器或结构光投影仪等其他机载设备供电。各种紧凑型嵌入式系统和单板计算机均支持USB。预计这一趋势会继续向USB 3.2过渡。
大幅面
    一般来说，对于用于扫描汽车、飞机或整幢建筑物的大幅面系统而言，轻便、易于布置及坚固等特性至关重要。万兆以太网是一种可靠的解决方案，其带宽能够用于采集高分辨率的点云。其最大电缆长度值很高，支持长距离线路，从而实现高精度扫描。尽管Camera Link HS和Coaxpress可以支持大幅面3D扫描应用所使用的正常电缆长度，但二者对图像采集卡的依赖性则增加了成本和复杂性。由于这些系统通常是固定的，因此外加速率也不会改善任何性能。
虚拟现实
    虚拟现实（VR）是一种要求严格的应用，需要两个或多个紧密同步的摄像头。如果要使VR系统能够以六个自由度捕捉立体图像，可能需要20个甚至更多摄像头。对于由单个摄像头模块组成的系统，摄像头应尽可能彼此靠近，以最大限度地减小视差。USB 3.2和Thunderbolt3使用的紧凑型Type-C连接器在这方面非常适用。VR系统通常以消费者为重点。就此而言，USB、Thunderbolt和以太网接口的用户友好特性使其更适用于CoaXpress和CameraLink。
    用于体育运动等内容的VR系统不捕捉整个球面环境，因为只需关注场地上的动作。这类系统通常由少量分辨率更高的摄像头组成。一般而言，体育场面积很大，因此需要更长的电缆。10GigE支持未压缩的4K60视频、长电缆，其简便性让其成为这类应用的理想之选。支持10 GB/秒传输速率的光纤媒体转换器可在超过1公里的距离范围内使用。
    对于高度专业化的慢动作容积捕获系统而言，万兆以太网速率、电缆长度性能以及支持基于PTP的时钟同步，使其成为您的明智之选，CoaXpress 2.0是适合于科技应用要求极高速率时的可行选择。