機器視覺：下一代相機高速接口

    本文概述并對比了下一代以太網、USB 、Camera Link以及CoaXpress标準，并就Thunderbolt3接口的技術潛力展開探讨。今後，這類相機接口将一如既往推動機器視覺産業的發展。

萬兆以太網

    早在1983年将以太網作為IEEE 802.3标準之前的十年，以太網便已存在。自此，這項技術憑借可靠性、靈活性以及速率改良開始真正普及。到2016年，每售出兩部機器視覺相機，當中就有一部采用了千兆以太網（GigE）技術。

    基于GigE的優勢，萬兆以太網（10GigE）傳輸速率超快，而延遲性極低。在10GB/秒的帶寬下，10GigE FLIR Oryx能夠在普通電纜上傳輸未壓縮的12位4K60視訊，傳輸距離超過60米。FLIR Oryx支援的萬兆以太網使用常見的RJ45接頭和雙絞線銅芯電纜，即可實作10GBASE-T需求。

    IT行業已經在網絡基礎設施中廣泛采用10GigE。在蘋果和華碩等公司的支援下，迅速成為頗具吸引力的消費電器接口。10 GigE的廣泛應用推動了基于各種低成本、高性能産品組成的強大生态系統的形成。

    以太網供電（PoE）标準的修訂版本也已适時推出。IEEE 802.3bt支援萬兆鍊路的以太網供電，不過尚未被廣泛采納。目前尚無PoE 10GigE機器視覺相機上市。

    10GBASE-T支援IEEE 1588精确時間協定（PTP），使得FLIR Oryx等相機能夠自動将其内部時鐘彼此同步并同步到其他以太網硬體上，無需使用者管理。

USB 3.2

    最近落實的USB 3.2技術規範是這一流行接口下一代的主要版本。USB 3.2使用Type-C連接配接器的兩側來并行支援兩個USB 3.1鍊路，傳輸速率可達20 GB/秒。從USB 3.0演變至USB 3.1導緻了第一代與第二代之間的若幹差異，而這種差異會延續至USB 3.2中。第一代和第二代鍊路之間的主要差別包括信号傳輸速率、編碼效率以及最大電纜長度。第二代将信号傳輸速率從5 GB/秒提高到10 GB/秒，同時以更高效的128/132b編碼代替了第一代中使用的8/10b編碼。降低編碼開銷意味着第二代鍊路支援更接近信号傳輸速率的實際傳輸速率。第一代鍊路提供4 GB/秒的實際吞吐量，而第二代鍊路則支援高達9.7 GB/秒。

    第一代鍊路的最大電纜長度為五米，而第二代鍊路則限制在一米。在經濟實惠的有源光纜出現之前，USB 3.2第二代的較短電纜可能會制約其廣泛應用。

    USB線路編号和多代技術混合可能會令消費者混淆。USB 3.2接口未必比USB 3.1快。即使将USB 3.1第一代的低效率編碼增加一倍，其連接配接速率仍然比USB 3.1第二代慢大約20％。每一代的電纜最大長度要求方面存在差異，即使用者需要視具體接口屬于第幾代技術來選擇适當長度的電纜。

USB支援直接記憶體通路（Direct Memory Access，DMA），可将圖像資料從相機直接傳輸到系統記憶體中。對于記憶體帶寬以及CPU功率有限的嵌入式應用來說，非常理想。

Thunderbolt3

    Thunderbolt接口在機器視覺産業尚未出現顯著增長，但Thunderbolt3可能會改變這種現狀。因為它同時兼具高達40GB/秒、易于使用以及常見的USB Type-C連接配接器這一實用組合。Thunderbolt3亦将支援USB供電規範，使其能夠提供高達100W的功率。目前的電纜長度限制為50厘米，在可靠和高成本效益的有源光纜面世之前，可能會制約這種接口的采用。

    盡管Thunderbolt3電纜的最大信号傳輸速率為40GB/秒，但實際吞吐量可能會大幅降低。主機與裝置及其PHY之間的PCIe 3.0 x4連接配接可提供高達32GB/秒的帶寬。備援帶寬用于傳輸HD和UHD螢幕的DisplayPort信号。PHY的PCIe接口在主機端啟用DMA。

    Thunderbolt技術由英特爾開發并維護，該公司最近宣布其所有新晶片組均将支援Thunderbolt3，同時還放寬了許可要求，鼓勵第三方制造商采用這種接口。英特爾努力推動Thunderbolt3的采用，創造出非比尋常的消費者生态系統，其中Thunderbolt3主機廣泛普及，但相應裝置卻不盡然。目前仍然沒有Thunderbolt3機器視覺相機。

Cameralink

    CameraLink HS标準于2012年出台。不僅改進了原有的CameraLink接口，速率提升，同時電纜連接配接的靈活性增強。CameraLink HS标準還擴充了對多種電纜連接配接的支援，使用者可以通過改變電纜長度來調整速率。上一代那種成本高昂又笨重的電纜淘汰了。CRC糾錯和資料重發進一步改進了傳輸的可靠性。可以自動檢測并糾正單比特傳輸錯誤。針對高速應用的額外帶寬，最多可以并行運作八條電纜。

    盡管CameraLink HS功能增強，但并不屬于消費電器用接口。雖然不支援DMA，但其設計用途包含了盡可能快速地将圖像資料傳輸到FPGA中。在傳入的CameraLink HS圖像資料傳遞到使用者之前，圖像采集卡會接收并彙編這些圖像資料，這種要求會增加視覺系統的成本，更複雜。對于通過多台計算機使用資料分割拓撲結構的系統來說，這種複雜性會加劇系統老化。

CoaXpress

     2017年年初公布的CoaXpress 2.0，性能和功能均有提升，重點支援高速應用。CoaXpress借鑒了通過HD-SDI實作4K60視訊的技術，将單通道速率從6.25 GB/秒提高到了12.5 GB/秒。在12.5 GB/秒速率下，一條4芯電纜能夠以每秒四千兆位元組的速率從相機向主機傳輸圖像資料。最大上行速率增加了一倍，有利于在500kHz以上的速率時觸發。CoaXpress 2.0支援多目的地傳輸，是以相機可以将資料發送到多台主機計算機上的圖像采集卡。

    CoaXpress 2.0保持了标準CoaXpress的40米最大電纜長度。盡管單通道同軸電纜的價格實惠，但多通道電纜總成和圖像采集卡的成本迅速增加。

自動光學檢測

    自動光學檢測（AOI）應用存在着巨大的差異，即沒有單一的理想接口。

    像印刷或薄膜制造這類連續進料的工藝需要具有幀率極高的相機。多通道CoaXpress和CameraLink HS提供的高帶寬非常實用，其作用遠勝于線陣相機。CoaXpress的多主機功能可使用多台計算機并行處理。

    許多檢測系統還會受到除相機和接口速率以外的因素限制。例如，扇出型晶圓級封裝領域的半導體檢測等應用則會受到機械工藝的限制。對于這類應用，CameraLink HS和CoaXpress可能實作的高幀率不會顯著提升系統性能，反而會大幅增加成本，且更複雜。USB 3.2和萬兆以太網以其高度、易用和低生命周期成本等優勢，成為檢測應用的理想接口。

    有些AOI系統屬于大型裝置的一部分。電機和其他裝置可能會産生不必要的電磁幹擾（EMI）。USB 3.2和Thunderbolt3不适用于存在大量EMI的環境。要確定上述接口在易受EMI影響的環境中保持其可靠性，則需要開發性能穩定而且成本效益高的有源光纖延長器。

    工業4.0可能是一個流行術語，但其系統運作的基本原理建立在基于一緻性時間的控制之上，而不是基于事件的控制，展現了系統設計的重大轉變。10GigE是唯一支援IEEE 1588精确時間協定（PTP）的下一代接口，可實作相機與其他以太網裝置的同步。系統設計人員目前采用PTP作為未來實施工業4.0原理的關鍵性規範。

3D掃描

手持式

    手持式3D掃描系統是緊湊型電池供電的裝置。結構緊湊、重量輕、功耗低，這是開發成功産品的關鍵。USB 3.2和Thunderbolt3适用于這類應用，其裝置的電纜長度小于任何電纜長度限制。這類接口能夠提供足夠的帶寬以支援高密度點雲所需要的分辨率，并且幀率很高，掃描速度更快。

由于USB 3.2和Thunderbolt3不需要單獨的圖像采集卡，是以可以節省更多的空間。USB供電可用于為紅外線投光器或結構光投影儀等其他機載裝置供電。各種緊湊型嵌入式系統和單闆計算機均支援USB。預計這一趨勢會繼續向USB 3.2過渡。

大幅面

    一般來說，對于用于掃描汽車、飛機或整幢建築物的大幅面系統而言，輕便、易于布置及堅固等特性至關重要。萬兆以太網是一種可靠的解決方案，其帶寬能夠用于采集高分辨率的點雲。其最大電纜長度值很高，支援長距離線路，進而實作高精度掃描。盡管Camera Link HS和Coaxpress可以支援大幅面3D掃描應用所使用的正常電纜長度，但二者對圖像采集卡的依賴性則增加了成本和複雜性。由于這些系統通常是固定的，是以外加速率也不會改善任何性能。

虛拟現實

    虛拟現實（VR）是一種要求嚴格的應用，需要兩個或多個緊密同步的攝像頭。如果要使VR系統能夠以六個自由度捕捉立體圖像，可能需要20個甚至更多攝像頭。對于由單個攝像頭子產品組成的系統，攝像頭應盡可能彼此靠近，以最大限度地減小視差。USB 3.2和Thunderbolt3使用的緊湊型Type-C連接配接器在這方面非常适用。VR系統通常以消費者為重點。就此而言，USB、Thunderbolt和以太網接口的使用者友好特性使其更适用于CoaXpress和CameraLink。

    用于體育運動等内容的VR系統不捕捉整個球面環境，因為隻需關注場地上的動作。這類系統通常由少量分辨率更高的攝像頭組成。一般而言，體育場面積很大，是以需要更長的電纜。10GigE支援未壓縮的4K60視訊、長電纜，其簡便性讓其成為這類應用的理想之選。支援10 GB/秒傳輸速率的光纖媒體轉換器可在超過1公裡的距離範圍内使用。

    對于高度專業化的慢動作容積捕獲系統而言，萬兆以太網速率、電纜長度性能以及支援基于PTP的時鐘同步，使其成為您的明智之選，CoaXpress 2.0是适合于科技應用要求極高速率時的可行選擇。