关于工业相机接口应用选择指南

「根据具体应用选择适当的接口」

当今的工业相机会使用各种类型的电缆和连接器。确定哪种相机接口对视觉系统重要，具体取决于本指南中将要探讨的几个因素。本指南还将涵盖其他因素，例如带宽容量、电缆长度和额外硬件支持，并举例说明目前可用这些接口的当前相机型号。本指南旨在探索和了解工业和科学面阵相机市场中的可用接口，以及各自的关键特性。

「相机接口」

工业相机和科学相机能够通过各种图像传感器（相机成像器）选项实现惊人的速度和分辨率。相机技术的前端传感器设计不断发展，后端相机接口也在不断发展。视觉系统引入新的连接器和电缆继续推动成像应用边界的扩展，实现更高的带宽和更可靠的数据传输。

USB3相机

谈及容易使用的数字接口时，没有什么能比得上USB（通用串行总线）。这种即插即用的接口诞生于1996年左右，并且当时已经有了一些显著的改进。演变进化至USB3版本后，成像行业发生了翻天覆地的变化，推动了千兆速度的普及。如今，USB3已成为成像行业的主要产品，并且发展速度不断加快。 USB3的第一个迭代是USB 3.0，经过USB 3.1 Gen 1和USB 3.2 Gen 1等多次更名。后来，USB超过了USB2 480Mbit/s的速度限制，达到5Gbit/s。USB3连接器已广泛应用于各种产品，不出所料，在工业和科学成像市场中，这款连接器也找到了一条继续发展壮大的道路。   如图1所示，这款连接器支持配备紧凑型传感器（小至1/2.8"）（搭载于新款Teledyne Lumenera Lt系列板级相机）的相机，以及即将上市的Teledyne Imaging相机搭载的大靶面APS-C传感器。

图1：Lt系列板级相机(左)和Lt系列相机(带P-IRIS)(右)。     USB3标准使用了多种连接器。标准USB3 Type-A等连接器常见于计算机和其他用于从相机捕获图像的主机设备。USB3 Type-B和USB3 Micro-B接口是工业相机常使用的两种连接器，因为这两种接口的锁定连接器有助于固定长达10米的电缆。由于USB成为计算机和许多其他电子设备的标准连接器，大多数设备均可采用这种从相机传输图像数据必需的硬件。无需购买图像采集卡、特殊组件和电缆，USB3相机能够提供性价比高的设置，并且可以进行大量部署，但并不会增加视觉系统的意外成本。如需了解各种USB3相机选项，请访问Teledyne Lumenera USB3相机产品页。

除物理接口外，还通过基于GenICam通用编程接口的USB3 Vision提供软件支持。USB3 Vision允许视觉系统在升级到新相机后继续使用相同的软件平台。通过使用支持相同标准化USB3 Vision软件的Lt-C/M4020B板级相机等相机，设计人员可以更改视觉系统的物理结构，无需担心产品的兼容性问题。有许多基于USB3 Vision平台的软件包。根据不同的制造商和所需功能，可以缩小软件的选择范围。USB3 Vision软件的示例包括Teledyne Imaging提供的LuCam和Sapera。

GigE相机

自2006年以来，使用GigE Vision即可实现可靠的高速图像捕获。通过使用Cat5和Cat6等以太网网络电缆，工业相机可以使用GigE Vision标准来实现一系列图像捕获速度。在工业成像行业中，常见的速度在1-5Gbit/s之间。

GigE Vision标准基于Internet协议标准，接受AIA监管。通过GigE相机将网络硬件集成到视觉系统中，使用户具备能够远程24/7全天候控制多台相机的优势。拥有完整的GigE Vision系统，使用的所有相机都可以在同一软件平台上运行。无需实际部署，相机就可以利用精确时间协议（PTP）与同步时间戳同步运行。这意味着多相机拓扑是开发GigE视觉系统的关键优势。

1GigE相机

顾名思义，1GigE相机能够达到1Gbit/s的速度。这种类型的带宽通过标准网络电缆（如图2所示）传输到主机PC或网络交换机。使用网络交换机的目的在于能够轻松同步许多连接设备，例如与PTP连接的设备。然而，PTP仅作为确保相机之间时间戳同步的一种方式，因此需要实现其他的独特功能，例如Teledyne DALSA的GigE相机中的功能，以完全同步GigE Vision系统中的相机，实现同时图像捕获。这意味着可以严格控制多台相机的图像采集，以避免相机预计图像拍摄时间与图像捕获时间不一致。     GigE相机的另一个重要优势是可以可靠保持这些速度，以便能够在工厂自动化和检查等应用中持续使用，电缆长度可达100米。如需查看Genie Nano 1GigE相机的完整清单（比如图3中列出的相机），请访问Teledyne DALSA产品页。  

5GigE相机

顾名思义，5GigE相机的速度可达5Gbits/s。这意味着带宽提高了五倍，但使用5GigE相机和接口相关的成本很可能会低得多，仅略高于1GigE。真正的价格差异取决于相机的传感器选择。5GBASE-T链接速度可以实现提速。因此，5GigE视觉系统可能会导致成本增加，但如果系统允许，则速度会大幅提升。 每台相机均采用GigE标准后，系统可以在简单的软件上运行，例如Teledyne Imaging Sapera平台，从而有助于OEM类型应用充分利用每台相机的功能。 有关需要大数据吞吐量的应用，请参阅Teledyne DALSA提供Genie Nano 5GigE系列相机。采用标准Genie Nano相机机身和Genie Nano XL外形尺寸的Genie Nano 5GigE相机组如下图4所示。     TurboDrive可以提高标准GigE相机所达到的速度，从而有可能将标准数据传输速率提升一倍。Teledyne DALSA这一非比寻常的升级能够使595Mbytes/s的典型5GigE连接速度几乎翻倍，可达985Mbytes/s。TurboDrive不依赖完全不同的硬件，而是采用Teledyne DALSA相机现有的GigE连接，可以将速度提高20-150%。这种性能升级不会使视觉系统面临数据丢失增加的风险，相反地，使用TurboDrive的相机通常可以以两倍的帧率运行。由于帧率提高，这使得装配线成像等应用能够以双倍速度运行，从而使生产速度高效翻倍。该技术适用于1/4"和APS-H传感器画幅的各种Genie Nano GigE产品（包括1GigE 和5GigE），如图5所示。  

对USB和GigE等接口标准的命名和速度的理解可能会令人非常困惑。为阐明这两种接口的具体情况，Teledyne Lumenera在博文《USB和GigE：成像系统相机接口的演变》中深入探讨了这两种接口。

CoaXPress

与USB3或GigE相机不同，CoaXPress（CXP）使用需要连接到图像采集卡的同轴电缆。图像采集卡也称采集卡。主机中搭载图像采集卡，可以帮助处理相机传输的图像数据。需要图像采集卡来使用CXP相机捕获图像，好处是性能显著提高。图像采集卡作为主机的物理升级设备，赋予整个视觉系统更多的能力来处理图像数据并增加系统的整体带宽。利用相机背面的多个连接器和图像采集卡，可以增加单台CXP相机的带宽，从而打开更多通道让数据流通过。图6举例说明了Teledyne DALSA Xtium系列图像采集卡，其中四个同轴连接器将位于计算机背面面板上。     CXP相机的背面可以容纳四个连接器，如图7所示。该接口能够在每个通道上实现6.25Gbit/s的速度。所有这些通道都插入一个图像采集卡时，视觉系统可以使带宽实现优化。单通道速度乘以4以及一个搭载Genie Nano CXP相机的视觉系统可以实现高达25Gbit/s的速度。这些速度是CXP6标准的一部分，可以使用长35米的同轴电缆得以实现。     如需了解CXP相机的所有选择，请访问Teledyne DALSA Genie Nano CXP相机产品页，有关CXP相机图像采集卡相关的信息，请查看图像采集卡产品页。

Camera Link接口

对于标准化相机接口，Camera Link（如图8所示）的设计简单可靠，可改善相机和图像采集卡之间的连接。Camera Link首发于2000年，随后更新至Camera Link 2.0，提供了新的选项，例如用于小型相机的 Mini Camera Link连接器、Power over Camera Link（PoCL）和PoCL-Lite（更小的PoCL电缆）。     使用Camera Link，电缆长可达10米，而在全/80-bit容量下，最长可支持7米的电缆。Camera Link相机同时具备全输出和80-bit输出，需要两条电缆连接至图像采集卡，以充分利用最大图像数据吞吐量。 在基本配置中，Camera Link相机使用单根电缆的速度可达到255Mbyte/s，在Deca配置中使用两根电缆速度可达到850Mbyte/s。此外，视觉系统还可以将双基配置中的两台相机连接至一个图像采集卡，并非使用两条电缆连接一台相机。因此主机PC能够通过一个接口控制多台相机。

Teledyne DALSA通过具备CamExpert和GenICam合规的Sapera LT为Camera Link相机提供软件支持。借助更新版软件，搭载Camera Link的视觉系统可以升级到新型号，因为传感器技术不断向前发展。访问Genie Nano Camera Link产品页了解有关不同可用型号的更多信息。

Camera Link HS

在Camera Link开发的基础上，截至2012年，Camera Link HS（CLHS）一直使用SFP、SFP+、CX4和光纤电缆等标准布线解决方案，以最大限度增加电缆长度、提高速度。得益于这些选项，CLHS相机可以通过铜缆实现最远15米的连接，通过光纤电缆实现最远5000米的连接，每条通道的吞吐量高达8.4Gbit/s，单根电缆最多可连接至7条通道。下文图9列举了CLHS相机的示例，该相机为中画幅Falcon4 86M相机。    

使用M协议每通道可实现3.125Gbit/s，使用X协议每通道可达10.3Gbit/s的速度，因此与其他接口相比，CLHS可以以更快的速度从与Falcon4系列8600万超高像素传感器一样大的传感器提供图像。与较小的Genie Nano 1GigE相机相比，这种中画幅传感器尺寸可以在图10中可视化。有效带宽比1GigE连接增加60倍。  

  Falcon4系列的主打产品是高分辨率86M型号和Falcon4- clhs M4480相机（如图11所示），这两款相机搭载Teledyne e2v Lince11M传感器，可以以高达609帧/秒的帧率传输大量图像。图像采集卡有助于最大限度地减少主机CPU的负荷，并通过板载数据传输引擎（DTE）集中图像采集。Xtium还采用Teledyne DALSA的Trigger to Image Reliability框架，以确保图像数据在任何时候都不会因触发、图像捕获和数据传输而受到损害。  

「开销和编码」 每个接口都有可能达到理论最大带宽。然而，这个数字忽略了将数据从相机传输到主机设备所涉及的许多实际开销。每个接口都会有某种形式的编码，但两台类似相机之间的编码可能会有所不同。例如，如果两台相机搭载相同的传感器，但一台使用1GigE而另一台使用5GigE，则编码会不同。编码是衡量设备在将数据发送到主机之前打包数据的效率指标，例如计算机从相机收集图像数据。USB3、1GigE和CXP使用8/10编码，这意味着编码过程损失了大约20%的带宽。5GigE接口使用效率更高的64/66编码，只有大约3%的开销。Camera Link接口并不使用相同类型的开销，因此损失了大约5%的带宽。产生这种限制的原因在于图像帧之间的间隙，这种间隙是图像数据集（称为数据线）与相机时钟同步的结果。

后继接口CLHS也采用64/66编码。然而，对于CLHS带宽最大化而言，图像采集卡带宽限制是更为迫切的问题。大多数图像采集卡的设计仍然无法充分利用与Camera Link HS接口一样快的理论速度。此外，许多图像采集卡用来与主机通信的8通道PCI Express（PCIe）3.0接口的带宽潜力尚未与某些工业接口达到一致。随着PCIe 4.0的到来，这种限制将逐渐消失，未来的更新将更普遍被图像采集卡技术采用。 除接口之外，视觉系统仍有许多其他复杂的部分影响着实际带宽潜力。在视觉系统可以输出的潜在带宽方面，相机传感器甚至比接口更重要。根据不同的规格，包括但不限于传感器的时钟速度和与视觉系统其余部分通信的传感器接口，相机可以输出的数据量可能会发生很大变化，而不仅仅是GigE、USB、CXP或CLHS等物理接口。

「结论」 由于市场上存在各种各样的可用相机接口，很难确定哪个接口最适用于特定成像应用。但是，通过了解每个接口的带宽、同步、部署难度和电缆长度等情况，接口选择可能会变得相对容易。 通过比较各个接口的带宽（如图12所示），用户可以清楚地了解图像数据采集的差异。使用CXP或CLHS相机将为视觉系统提供更高的带宽，但在不需要或无法使用图像采集卡的应用中，USB和GigE等接口也是不错的选择。决定哪个接口最适用于特定系统取决于具体的应用需求。

相机接口速度比较

1-GigE的倍数

图12：不同相机接口和其带宽比较

编辑：黄飞