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。
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。最終,USB超過了USB2 480Mbit/s的速度限制,至高達到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。
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。
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。
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。
顧名思義,5GigE相機的速度至高可達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。
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,至高可達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)
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:成像系統阿相機接口的演變》中深入探討了這兩種接口。
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。
對于標準化相機接口,Camera Link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max可達10米,而在全/80-bit容量下,max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。
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至遠15米的連接,通過光纖電纜實現至遠5000米的連接,每條通道的吞吐量高達8.4Gbit/s,單根電纜至多可連接至7條通道。