?隨著相機傳感器能夠傳輸越來越多的數(shù)據(jù)，選擇適當?shù)慕涌趯τ诔上駪?yīng)用而言越來越重要。兩種常用接口為USB和GigE。多年來，接口電纜和連接器發(fā)生千變?nèi)f化，因此全面回顧這些接口以及其與現(xiàn)代傳感器技術(shù)的比較將有助于說明接口技術(shù)當前的發(fā)展狀態(tài)。

帶 寬

了解成像系統(tǒng)的帶寬能力和要求對于利用高分辨率、更優(yōu)幀率和更快的傳輸速度至關(guān)重要。以下公式可用于確定接口是否滿足必要帶寬的要求。

B：帶寬。

R：像素數(shù)；分辨率（像素高度乘以像素寬度）或相機的百萬像素值。

f：幀率，即每秒拍攝的圖像數(shù)量（如30幀/秒）。

BD：位深度，如8、10、12、14、16等值。這些值在內(nèi)存中的儲存形式為8-bit，這意味著8-bit到16-bit的任何內(nèi)容在內(nèi)存中必須用16-bit表示。

用于除法的常量值表示如下：

8：將每秒位數(shù)轉(zhuǎn)換為每秒字節(jié)數(shù)。

1024：字節(jié)轉(zhuǎn)換為千字節(jié)。

1024：千字節(jié)轉(zhuǎn)換成兆字節(jié)。

這是測量視覺系統(tǒng)所需帶寬的實際示例。搭載-890萬像素傳感器、USB 3.1 Gen 1（又稱USB 3.2 Gen 1）接口，幀率為19fps（幀/秒）的Teledyne Lumenera Lt945R相機拍攝12-bit圖像將需要324MB/s（兆字節(jié)/秒）的帶寬。此帶寬低于USB 3.1 Gen 1的最大輸出（約380MB/s），因此接口能夠充分利用傳感器。

在考慮使用哪種類型的接口時，主要關(guān)注點是帶寬。確保視覺系統(tǒng)能夠有效傳輸來自現(xiàn)代傳感器技術(shù)（例如Sony?Pregius?或Starvis?系列傳感器）的大量數(shù)據(jù)至關(guān)重要。如圖1所示，每一代Sony Pregius系列傳感器的實際帶寬不斷增加。第一代、第二代和第三代Pregius傳感器的帶寬分別為4.7、9.5和18.4Gbit/s（千兆位/秒）。

接 口

● USB接口

USB標準開始于USB 1.0，撰寫本文時，USB 3.2 Gen 2x2已經(jīng)發(fā)生了許多變化。在圖2中可以看到帶寬呈指數(shù)增長，其中每一代的帶寬都至少翻了一倍。目前，USB 3有5、10和20 Gbit/s版本，經(jīng)歷了多次改名，但在演變過程中，常用的USB 2.0標準依然保持不變。

因此，USB 3的原始5Gbit/s標準經(jīng)歷了不止一次的改名。這會讓許多試圖了解哪個名稱具體與哪個帶寬相關(guān)的消費者感到費解。應(yīng)注意的是，由于各種硬件并不總是像USB標準那樣經(jīng)常更新，仍然使用舊的USB版本名稱。下文圖3顯示了帶有相應(yīng)信息的各種USB版本。

USB連接器的類型多種多樣可能也會令消費者困惑。但是，某些類型的連接器更常用于低端設(shè)備，而其他類型的連接器則常用于某些高端工業(yè)產(chǎn)品。工業(yè)用途中最常見的USB連接器類型如圖4所示。

許多視覺系統(tǒng)仍然使用的其他傳統(tǒng)USB連接器包括：USB 2 Type-A、USB 2 Type-B、USB 2 Mini-B和USB 2 Micro-B。根據(jù)設(shè)備的大小和形狀，可能適用的USB連接器類型更多。

● GigE接口

對于視覺系統(tǒng)與目標（系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的服務(wù)器或計算機）之間距離較大的應(yīng)用，GigE接口可能是更好的解決方案。與USB的最大電纜長度為10英尺不同，GigE的連接電纜可以延伸至100英尺。距離長十倍，GigE相機可應(yīng)用于各種遠程應(yīng)用，例如工廠自動化或視覺引導(dǎo)機器人。

使用10/25 GigE接口的視覺系統(tǒng)需要服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)交換機等特殊設(shè)備來處理特定協(xié)議。使用更高帶寬的GigE接口時需要CAT6電纜。這種電纜與辦公室或家中大多數(shù)調(diào)制解調(diào)器或路由器連接的常見CAT5網(wǎng)絡(luò)電纜不同。

由于舊版CAT5標準電纜的普及，開發(fā)一個新的標準來最大限度地提高CAT5性能。NBASE-T是一種向后兼容的標準，但能夠達到2.5和5Gbit/s的傳輸速度。這意味著舊版CAT5電纜可以實現(xiàn)高于標準GigE帶寬的傳輸速度，如圖5所示。

使用這些新版標準可以提高傳輸速度，但優(yōu)化硬件可以提供更高的幀率。高幀率對于工廠中的高速成像尤為重要，例如承載許多產(chǎn)品的移動傳送帶或與移動物體交互的機器人系統(tǒng)。幀率大幅提升意味著生產(chǎn)力提升，檢查和生產(chǎn)設(shè)備的速度更快。

● GigE設(shè)置與USB

如前所述，與服務(wù)器/計算機之間的距離成為影響因素時，GigE具有優(yōu)勢。但是，USB是一種更“即插即用”的接口，因此設(shè)置起來更簡單。對于大多數(shù)計算機而言，GigE設(shè)備可能需要設(shè)置IP地址并用掉該設(shè)備唯一可用的網(wǎng)絡(luò)端口。

如前所述，帶寬更高的GigE標準（例如10/25 GigE）需要特殊的布線和設(shè)備才能運行。另一方面，USB設(shè)備不需要注冊IP地址，大多數(shù)計算機甚至低端設(shè)備都有多個USB端口。

然而，將多臺GigE相機連接到一個網(wǎng)絡(luò)交換機時，電纜更長意味著能夠在整個區(qū)域內(nèi)靈活定位。在出廠設(shè)置情況下，這些相機都可以拍攝運動部件的高速圖像。這些相機通?？梢允褂镁W(wǎng)絡(luò)交換機進行整合，將每臺相機分配至同一個接口。

GigE相機的另一個優(yōu)勢是GigE接口更容易配置到定制連接器，這種連接器需要切割或壓接電線以適應(yīng)特定設(shè)置。無論是整個設(shè)施中采用CAT 5電纜的建筑物，還是飛機的大型結(jié)構(gòu)；都很容易對GigE連接進行調(diào)整，因此GigE是定制解決方案的首選接口。

● 更高的帶寬標準

在考慮視覺系統(tǒng)使用的接口時，很容易選擇帶寬更高的選項。然而，即使USB 3接口的帶寬高于標準GigE，也有許多GigE版本可以達到25 Gbit/s的帶寬，如圖6所示，其中比較了標準GigE和10 GigE。

兩種接口的更高帶寬標準仍然比較少見，目前正緩慢融入市場。不實現(xiàn)新標準的主要問題與各種硬件制造商設(shè)計新框架所需的時間有關(guān)。與前幾年相比，標準的更新頻率更高，制造商必須選擇何時實施以及將哪些新標準與其產(chǎn)品集成。此外，市場上需要涌現(xiàn)大量更新標準的需求，才能使制造商將研發(fā)時間從其他潛在的升級中轉(zhuǎn)移出來。

● 開銷

特定接口的處理開銷通常不會對性能產(chǎn)生顯著影響。然而，對于使用大型成像集群進行航空成像的大規(guī)模應(yīng)用，需要高準確度才能創(chuàng)建鑲嵌圖。視覺系統(tǒng)的處理單元在此類應(yīng)用中至關(guān)重要，但使用GigE接口會給處理器帶來更重的負荷。因此，當系統(tǒng)設(shè)計需要較低的處理壓力并進行優(yōu)化來使用更短的電纜時，使用USB 3接口通常是最佳解決方案。如需了解鑲嵌圖和航空成像中使用多臺相機相關(guān)的更多信息，請閱讀我們的白皮書《在航空成像中使用單臺相機還是多臺相機》。

如果沒有適當?shù)慕涌诩夹g(shù)，視覺系統(tǒng)就無法充分發(fā)揮潛力。適當接口的選擇問題源自每個接口是否有其獨特的優(yōu)勢。即使帶寬不斷增加，接口實際上也只能傳輸傳感器理論最大帶寬的一小部分。圖2、5和6中列出的帶寬速度實際上是每個接口的理論限值。實現(xiàn)特定標準（如USB 3或GigE）的每件設(shè)備在穩(wěn)定比特率方面都會有所不同。每個設(shè)備都需要對通過接口傳輸?shù)男畔⑦M行編碼。這個過程稱為處理開銷。這種編碼過程使特定設(shè)備實現(xiàn)宣傳或預(yù)期的帶寬。

● 電源要求和附加重量

使用GigE的電源需求通常高于USB。因此，GigE相機可能需要外部電源。但是，許多相機可以通過USB連接或以太網(wǎng)供電（PoE）（以太網(wǎng)電纜通過同一連接傳輸電力和數(shù)據(jù)）等方式供電。在大多數(shù)大畫幅相機上，USB或GigE都需要外部電源，但GigE相機消耗更多電量也會導(dǎo)致電源單元（PSU）消耗更多電量。

在航空成像等對重量敏感的應(yīng)用中，需要功率更高的PSU可能意味著需要增加飛行器的體積，因此可能會因重量增加而對飛行時間和飛行能力造成阻礙。對于需要最輕設(shè)計的電池供電無人機而言，這個問題尤為重要。但應(yīng)注意的是，飛行器的接線可能非常復(fù)雜，導(dǎo)致需要更長的電纜將PSU連接至相機。如果物理設(shè)計需要更長的電纜，GigE接口可能是首選。對于需要其他硬件的10 GigE相機，體積和重量增加對于無人機來說可能會是一個重大的問題，并且可能無法選擇特定的接口。

視覺標準

通過對USB3等接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行編碼，傳輸速度最終平均約為380MB/s，而不是3.1 Gen 1標準中支持的最大速度625MB/s。在評估各種可用選項時，必須考慮這些實際速度。目前，視覺系統(tǒng)領(lǐng)域采用的主要標準包括 USB3 Vision標準和GigE Vision標準。更高帶寬的選項是USB3 Vision，相當于用于成像應(yīng)用的USB 3.1 Gen 2標準。USB3 Vision標準采用相機通用接口（GenlCam）標準，這是視覺系統(tǒng)的典型底層軟件接口。

結(jié) 論

不同的應(yīng)用需要不同的相機。通過找到最適合特定應(yīng)用的視覺系統(tǒng)實現(xiàn)長距離連接能力、最小化處理要求的能力和最大化傳輸圖像數(shù)量的能力。

如需了解更多有關(guān)相機性能的信息，請聯(lián)系Teledyne Lumenera的成像專家，討論如何最大限度地提高成像性能。請聯(lián)系info@lumenera.com。

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