「根據具體應用選擇適當的接口」

當今的工業相機會使用各種類型的電纜和連接器。確定哪種相機接口對視覺系統重要，具體取決于本指南中將要探討的幾個因素。本指南還將涵蓋其他因素，例如帶寬容量、電纜長度和額外硬件支持，并舉例說明目前可用這些接口的當前相機型號。本指南旨在探索和了解工業和科學面陣相機市場中的可用接口，以及各自的關鍵特性。

「相機接口」

工業相機和科學相機能夠通過各種圖像傳感器（相機成像器）選項實現驚人的速度和分辨率。相機技術的前端傳感器設計不斷發展，后端相機接口也在不斷發展。視覺系統引入新的連接器和電纜繼續推動成像應用邊界的擴展，實現更高的帶寬和更可靠的數據傳輸。

USB3相機

談及容易使用的數字接口時，沒有什么能比得上USB（通用串行總線）。這種即插即用的接口誕生于1996年左右，并且當時已經有了一些顯著的改進。演變進化至USB3版本后，成像行業發生了翻天覆地的變化，推動了千兆速度的普及。如今，USB3已成為成像行業的主要產品，并且發展速度不斷加快。 USB3的第一個迭代是USB 3.0，經過USB 3.1 Gen 1和USB 3.2 Gen 1等多次更名。后來，USB超過了USB2 480Mbit/s的速度限制，達到5Gbit/s。USB3連接器已廣泛應用于各種產品，不出所料，在工業和科學成像市場中，這款連接器也找到了一條繼續發展壯大的道路。 ? 如圖1所示，這款連接器支持配備緊湊型傳感器（小至1/2.8"）（搭載于新款Teledyne Lumenera Lt系列板級相機）的相機，以及即將上市的Teledyne Imaging相機搭載的大靶面APS-C傳感器。

圖1：Lt系列板級相機(左)和Lt系列相機(帶P-IRIS)(右)。 ? ? USB3標準使用了多種連接器。標準USB3 Type-A等連接器常見于計算機和其他用于從相機捕獲圖像的主機設備。USB3 Type-B和USB3 Micro-B接口是工業相機常使用的兩種連接器，因為這兩種接口的鎖定連接器有助于固定長達10米的電纜。由于USB成為計算機和許多其他電子設備的標準連接器，大多數設備均可采用這種從相機傳輸圖像數據必需的硬件。無需購買圖像采集卡、特殊組件和電纜，USB3相機能夠提供性價比高的設置，并且可以進行大量部署，但并不會增加視覺系統的意外成本。如需了解各種USB3相機選項，請訪問Teledyne Lumenera USB3相機產品頁。

除物理接口外，還通過基于GenICam通用編程接口的USB3 Vision提供軟件支持。USB3 Vision允許視覺系統在升級到新相機后繼續使用相同的軟件平臺。通過使用支持相同標準化USB3 Vision軟件的Lt-C/M4020B板級相機等相機，設計人員可以更改視覺系統的物理結構，無需擔心產品的兼容性問題。有許多基于USB3 Vision平臺的軟件包。根據不同的制造商和所需功能，可以縮小軟件的選擇范圍。USB3 Vision軟件的示例包括Teledyne Imaging提供的LuCam和Sapera。

GigE相機

自2006年以來，使用GigE Vision即可實現可靠的高速圖像捕獲。通過使用Cat5和Cat6等以太網網絡電纜，工業相機可以使用GigE Vision標準來實現一系列圖像捕獲速度。在工業成像行業中，常見的速度在1-5Gbit/s之間。

GigE Vision標準基于Internet協議標準，接受AIA監管。通過GigE相機將網絡硬件集成到視覺系統中，使用戶具備能夠遠程24/7全天候控制多臺相機的優勢。擁有完整的GigE Vision系統，使用的所有相機都可以在同一軟件平臺上運行。無需實際部署，相機就可以利用精確時間協議（PTP）與同步時間戳同步運行。這意味著多相機拓撲是開發GigE視覺系統的關鍵優勢。

1GigE相機

顧名思義，1GigE相機能夠達到1Gbit/s的速度。這種類型的帶寬通過標準網絡電纜（如圖2所示）傳輸到主機PC或網絡交換機。使用網絡交換機的目的在于能夠輕松同步許多連接設備，例如與PTP連接的設備。然而，PTP僅作為確保相機之間時間戳同步的一種方式，因此需要實現其他的獨特功能，例如Teledyne DALSA的GigE相機中的功能，以完全同步GigE Vision系統中的相機，實現同時圖像捕獲。這意味著可以嚴格控制多臺相機的圖像采集，以避免相機預計圖像拍攝時間與圖像捕獲時間不一致。 ? ? GigE相機的另一個重要優勢是可以可靠保持這些速度，以便能夠在工廠自動化和檢查等應用中持續使用，電纜長度可達100米。如需查看Genie Nano 1GigE相機的完整清單（比如圖3中列出的相機），請訪問Teledyne DALSA產品頁。 ?

5GigE相機

顧名思義，5GigE相機的速度可達5Gbits/s。這意味著帶寬提高了五倍，但使用5GigE相機和接口相關的成本很可能會低得多，僅略高于1GigE。真正的價格差異取決于相機的傳感器選擇。5GBASE-T鏈接速度可以實現提速。因此，5GigE視覺系統可能會導致成本增加，但如果系統允許，則速度會大幅提升。 每臺相機均采用GigE標準后，系統可以在簡單的軟件上運行，例如Teledyne Imaging Sapera平臺，從而有助于OEM類型應用充分利用每臺相機的功能。 有關需要大數據吞吐量的應用，請參閱Teledyne DALSA提供Genie Nano 5GigE系列相機。采用標準Genie Nano相機機身和Genie Nano XL外形尺寸的Genie Nano 5GigE相機組如下圖4所示。 ? ? TurboDrive可以提高標準GigE相機所達到的速度，從而有可能將標準數據傳輸速率提升一倍。Teledyne DALSA這一非比尋常的升級能夠使595Mbytes/s的典型5GigE連接速度幾乎翻倍，可達985Mbytes/s。TurboDrive不依賴完全不同的硬件，而是采用Teledyne DALSA相機現有的GigE連接，可以將速度提高20-150%。這種性能升級不會使視覺系統面臨數據丟失增加的風險，相反地，使用TurboDrive的相機通常可以以兩倍的幀率運行。由于幀率提高，這使得裝配線成像等應用能夠以雙倍速度運行，從而使生產速度高效翻倍。該技術適用于1/4"和APS-H傳感器畫幅的各種Genie Nano GigE產品（包括1GigE 和5GigE），如圖5所示。 ?

對USB和GigE等接口標準的命名和速度的理解可能會令人非常困惑。為闡明這兩種接口的具體情況，Teledyne Lumenera在博文《USB和GigE：成像系統相機接口的演變》中深入探討了這兩種接口。

CoaXPress

與USB3或GigE相機不同，CoaXPress（CXP）使用需要連接到圖像采集卡的同軸電纜。圖像采集卡也稱采集卡。主機中搭載圖像采集卡，可以幫助處理相機傳輸的圖像數據。需要圖像采集卡來使用CXP相機捕獲圖像，好處是性能顯著提高。圖像采集卡作為主機的物理升級設備，賦予整個視覺系統更多的能力來處理圖像數據并增加系統的整體帶寬。利用相機背面的多個連接器和圖像采集卡，可以增加單臺CXP相機的帶寬，從而打開更多通道讓數據流通過。圖6舉例說明了Teledyne DALSA Xtium系列圖像采集卡，其中四個同軸連接器將位于計算機背面面板上。 ? ? CXP相機的背面可以容納四個連接器，如圖7所示。該接口能夠在每個通道上實現6.25Gbit/s的速度。所有這些通道都插入一個圖像采集卡時，視覺系統可以使帶寬實現優化。單通道速度乘以4以及一個搭載Genie Nano CXP相機的視覺系統可以實現高達25Gbit/s的速度。這些速度是CXP6標準的一部分，可以使用長35米的同軸電纜得以實現。 ? ? 如需了解CXP相機的所有選擇，請訪問Teledyne DALSA Genie Nano CXP相機產品頁，有關CXP相機圖像采集卡相關的信息，請查看圖像采集卡產品頁。

Camera Link接口

對于標準化相機接口，Camera Link（如圖8所示）的設計簡單可靠，可改善相機和圖像采集卡之間的連接。Camera Link首發于2000年，隨后更新至Camera Link 2.0，提供了新的選項，例如用于小型相機的 Mini Camera Link連接器、Power over Camera Link（PoCL）和PoCL-Lite（更小的PoCL電纜）。 ? ? 使用Camera Link，電纜長可達10米，而在全/80-bit容量下，最長可支持7米的電纜。Camera Link相機同時具備全輸出和80-bit輸出，需要兩條電纜連接至圖像采集卡，以充分利用最大圖像數據吞吐量。 在基本配置中，Camera Link相機使用單根電纜的速度可達到255Mbyte/s，在Deca配置中使用兩根電纜速度可達到850Mbyte/s。此外，視覺系統還可以將雙基配置中的兩臺相機連接至一個圖像采集卡，并非使用兩條電纜連接一臺相機。因此主機PC能夠通過一個接口控制多臺相機。

Teledyne DALSA通過具備CamExpert和GenICam合規的Sapera LT為Camera Link相機提供軟件支持。借助更新版軟件，搭載Camera Link的視覺系統可以升級到新型號，因為傳感器技術不斷向前發展。訪問Genie Nano Camera Link產品頁了解有關不同可用型號的更多信息。

Camera Link HS

在Camera Link開發的基礎上，截至2012年，Camera Link HS（CLHS）一直使用SFP、SFP+、CX4和光纖電纜等標準布線解決方案，以最大限度增加電纜長度、提高速度。得益于這些選項，CLHS相機可以通過銅纜實現最遠15米的連接，通過光纖電纜實現最遠5000米的連接，每條通道的吞吐量高達8.4Gbit/s，單根電纜最多可連接至7條通道。下文圖9列舉了CLHS相機的示例，該相機為中畫幅Falcon4 86M相機。 ? ?

使用M協議每通道可實現3.125Gbit/s，使用X協議每通道可達10.3Gbit/s的速度，因此與其他接口相比，CLHS可以以更快的速度從與Falcon4系列8600萬超高像素傳感器一樣大的傳感器提供圖像。與較小的Genie Nano 1GigE相機相比，這種中畫幅傳感器尺寸可以在圖10中可視化。有效帶寬比1GigE連接增加60倍。 ?

? Falcon4系列的主打產品是高分辨率86M型號和Falcon4- clhs M4480相機（如圖11所示），這兩款相機搭載Teledyne e2v Lince11M傳感器，可以以高達609幀/秒的幀率傳輸大量圖像。圖像采集卡有助于最大限度地減少主機CPU的負荷，并通過板載數據傳輸引擎（DTE）集中圖像采集。Xtium還采用Teledyne DALSA的Trigger to Image Reliability框架，以確保圖像數據在任何時候都不會因觸發、圖像捕獲和數據傳輸而受到損害。 ?

「開銷和編碼」 每個接口都有可能達到理論最大帶寬。然而，這個數字忽略了將數據從相機傳輸到主機設備所涉及的許多實際開銷。每個接口都會有某種形式的編碼，但兩臺類似相機之間的編碼可能會有所不同。例如，如果兩臺相機搭載相同的傳感器，但一臺使用1GigE而另一臺使用5GigE，則編碼會不同。編碼是衡量設備在將數據發送到主機之前打包數據的效率指標，例如計算機從相機收集圖像數據。USB3、1GigE和CXP使用8/10編碼，這意味著編碼過程損失了大約20%的帶寬。5GigE接口使用效率更高的64/66編碼，只有大約3%的開銷。Camera Link接口并不使用相同類型的開銷，因此損失了大約5%的帶寬。產生這種限制的原因在于圖像幀之間的間隙，這種間隙是圖像數據集（稱為數據線）與相機時鐘同步的結果。

后繼接口CLHS也采用64/66編碼。然而，對于CLHS帶寬最大化而言，圖像采集卡帶寬限制是更為迫切的問題。大多數圖像采集卡的設計仍然無法充分利用與Camera Link HS接口一樣快的理論速度。此外，許多圖像采集卡用來與主機通信的8通道PCI Express（PCIe）3.0接口的帶寬潛力尚未與某些工業接口達到一致。隨著PCIe 4.0的到來，這種限制將逐漸消失，未來的更新將更普遍被圖像采集卡技術采用。 除接口之外，視覺系統仍有許多其他復雜的部分影響著實際帶寬潛力。在視覺系統可以輸出的潛在帶寬方面，相機傳感器甚至比接口更重要。根據不同的規格，包括但不限于傳感器的時鐘速度和與視覺系統其余部分通信的傳感器接口，相機可以輸出的數據量可能會發生很大變化，而不僅僅是GigE、USB、CXP或CLHS等物理接口。

「結論」 由于市場上存在各種各樣的可用相機接口，很難確定哪個接口最適用于特定成像應用。但是，通過了解每個接口的帶寬、同步、部署難度和電纜長度等情況，接口選擇可能會變得相對容易。 通過比較各個接口的帶寬（如圖12所示），用戶可以清楚地了解圖像數據采集的差異。使用CXP或CLHS相機將為視覺系統提供更高的帶寬，但在不需要或無法使用圖像采集卡的應用中，USB和GigE等接口也是不錯的選擇。決定哪個接口最適用于特定系統取決于具體的應用需求。

相機接口速度比較

1-GigE的倍數

圖12：不同相機接口和其帶寬比較

編輯：黃飛

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