隨著機(jī)器視覺應(yīng)用的發(fā)展，行業(yè)需求越來越集中于在保證圖像質(zhì)量和傳輸穩(wěn)定的前提下，盡可能地提升帶寬，保證高分辨率圖像的高幀率傳輸。各類不同協(xié)議的數(shù)據(jù)接口也隨之誕生，從最早的GigE Vision，到后來的Camera link、USB 3 Vision，以及時(shí)下火熱的CoaXPress等。
目前的高帶寬接口Camera link和CoaXPress均有自身的限制，如Camera link線纜較重，傳輸距離限制只有10m(80-bit更是只有4m)，帶寬上限不夠高;CoaXPress有多種版本(CXP-1/3/6/12)，帶寬越高則傳輸距離越短，超高帶寬需要采用多條線纜;兩種接口都需要搭配昂貴的采集卡和非標(biāo)準(zhǔn)的軟件進(jìn)行取流，相對來說使用難度較高，兼容性較差。因此，高性價(jià)比、低復(fù)雜度的10GigE也越來越受歡迎。
萬兆網(wǎng)相機(jī)因其本身具備高帶寬以及長距離傳輸、低架設(shè)復(fù)雜度、低成本等多種優(yōu)勢，通過更換網(wǎng)卡網(wǎng)線便可由千兆網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行升級，操作十分便捷。本篇文章羅列了萬兆網(wǎng)接口與其他主流接口相比的優(yōu)劣，并闡述了萬兆網(wǎng)的基本概念及其技術(shù)特點(diǎn)。
01 主流接口的對比
在工業(yè)相機(jī)領(lǐng)域中，GigE憑借著100m(無中繼，典型電口)的遠(yuǎn)傳輸距離和1Gbps帶寬、PoE供電等優(yōu)勢，成為性價(jià)比最高的接口，并連續(xù)多年市場占有率達(dá)到65%以上，是目前最主流的接口之一。自2002年IEEE通過了802.3ae，便出現(xiàn)了帶寬為10Gbit/s的以太網(wǎng)，稱之為萬兆以太網(wǎng)。
圖1-1 各數(shù)據(jù)接口在不同年份的市場份額
相較于Camera link、CoaXPress等高帶寬協(xié)議來說，萬兆網(wǎng)同樣具備無可比擬的優(yōu)勢。Camera link接口本身的帶寬高于GigE，然而頂配模式80-bit帶寬也僅為6.8Gbps，且由于線纜較粗，重量較大，長度上限10m，在遠(yuǎn)距離傳輸場景中較為受限。CoaXPress能夠具備更高的帶寬，最新版本的CXP-12單條線纜能夠提供12Gbps的傳輸速度，但相應(yīng)的傳輸距離也在30m左右，是兼具高速率和長距離的“優(yōu)等生”。
圖1-2 不同數(shù)據(jù)接口之間的帶寬和傳輸距離
然而，Camera link和CoaXPress的采集卡和線纜的價(jià)格相較萬兆網(wǎng)卡和網(wǎng)線來說，都更高;此外，Camera link相機(jī)由于其取流需要通過采集卡的SDK，而市面上的采集卡種類較多，相應(yīng)SDK也不同。如果普通相機(jī)圖像采集軟件集成所有采集卡的SDK，則會(huì)造成軟件安裝包體積過大。因此，大部分標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)取流軟件都無法直接兼容Camera link相機(jī)，需要與采集卡相匹配的軟件進(jìn)行取流。例如，當(dāng)前版本的MVS(V3.3.0)無法直接取流Camera link接口相機(jī)(通過加載采集卡廠商提供的CTI文件才可以取流)，只能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等。
與之相比，萬兆網(wǎng)相機(jī)的優(yōu)勢則在于更遠(yuǎn)的傳輸距離、更便捷的安裝、更低的成本、更高(較Camera link)的帶寬以及兼容性更好的協(xié)議，是超高性價(jià)比的高帶寬接口。在一些需要高分辨率、高幀率、遠(yuǎn)距離的場景應(yīng)用中，萬兆網(wǎng)相機(jī)則是性價(jià)比極佳的選擇。
02 萬兆網(wǎng)的基本概念
2.1 網(wǎng)絡(luò)的簡要傳輸原理
網(wǎng)絡(luò)傳輸是需要基于各種協(xié)議的，而互聯(lián)網(wǎng)的五層模型當(dāng)中的每一層都定義了很多協(xié)議，這些協(xié)議的總稱，稱之為“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議”，是互聯(lián)網(wǎng)的核心內(nèi)容。
遵照以太網(wǎng)的協(xié)議要求，圖像數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸，也稱為幀(frame)。每一幀均分為兩個(gè)部分：標(biāo)頭(Head)和數(shù)據(jù)(Data)。其中，標(biāo)頭包含數(shù)據(jù)包的一些說明項(xiàng)，比如發(fā)送者，接受者，數(shù)據(jù)類型等;數(shù)據(jù)則是數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。
圖2-1 幀的組成
2.2 電口和光口
萬兆網(wǎng)分為電口和光口兩種形態(tài)，分別具備不同的優(yōu)勢和限制，如電口的連接與使用更為簡易，普及度更高;而光口則需要配合光纖/光纜使用，才可以進(jìn)行超遠(yuǎn)距離傳輸。
■ 電口
電纜中會(huì)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化成電脈沖的形式進(jìn)行傳輸，其內(nèi)部的電壓是在高低狀態(tài)之間進(jìn)行變化的。如二進(jìn)制中的1通過是正電壓來傳輸，0則是通過產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓來進(jìn)行傳輸。如此數(shù)字化服務(wù)可比傳統(tǒng)的模擬服務(wù)提供更高的可靠性。
圖2-2 電口示意圖
網(wǎng)絡(luò)電纜的內(nèi)部線路之間存在電流，并且會(huì)產(chǎn)生干擾。在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)倪^程中，線纜本身電阻的影響傳輸距離的主要因素。理論上，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸在100米后會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減。此外，限制傳輸距離的目的也是為了減少外界對網(wǎng)線的干擾，影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸穩(wěn)定性。
■ 光口
光纖接口是以光作為信息的承載介質(zhì)，使用光纖線纜，原理是利用光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)從而發(fā)生了全反射，接口通常有SC、ST、FC、LC等幾種類型。不同的光纖模塊可以提供不同的傳輸速率和傳輸距離上限。
圖2-3 光口示意圖
就目前來說，光口的傳輸速率在不斷提高，從早期的100Mbps到后來的1.25Gbps、10Gbps、40Gbps，到現(xiàn)在最高的100Gbps;最遠(yuǎn)的傳輸距離范圍也提升至1-120km左右，是超遠(yuǎn)距離和超高速率傳輸?shù)膬?yōu)秀代表。
目前，機(jī)器視覺行業(yè)中不斷涌出光口產(chǎn)品，海康機(jī)器人同樣也有相關(guān)的產(chǎn)品布局計(jì)劃，相信在不久的將來，隨著光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和穩(wěn)定，光口產(chǎn)品會(huì)逐漸普及。
03 萬兆網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)
3.1 高傳輸效率
GigE Vision定義了主機(jī)如何發(fā)現(xiàn)、控制千兆以太網(wǎng)相機(jī)以及從一個(gè)或多個(gè)GigE相機(jī)采集圖像。GigE Vision是萬兆網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議，是由AIA制定的通信協(xié)議，可在機(jī)器視覺領(lǐng)域通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。
同時(shí)，GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)是基于UDP協(xié)議，與普通網(wǎng)絡(luò)協(xié)議最大的不同點(diǎn)在于應(yīng)用層協(xié)議。GigE Vision的應(yīng)用層協(xié)議采用GVCP(控制協(xié)議)來對相機(jī)進(jìn)行配置;采用GVSP(流傳輸協(xié)議)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸。
因此，為保證傳輸效率，各類圖像采集軟件(如MVS)的實(shí)現(xiàn)就是基于這兩種協(xié)議。其主要由四部分構(gòu)成：
■ 基于UDP協(xié)議的GigE Vision控制協(xié)議：
其定義了如何對相機(jī)進(jìn)行控制和組態(tài)。規(guī)定了相機(jī)和PC之間發(fā)送圖像及配置數(shù)據(jù)的流通道和機(jī)制;
■ GigE Vision流控制協(xié)議：
其定義了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，確定了通過GigE傳輸圖像的方式;
圖3-1 PAUSE幀流控機(jī)制
■ GigE設(shè)備發(fā)現(xiàn)機(jī)制：
該機(jī)制提供了獲取IP地址的方法;
■ 基于GenICam標(biāo)準(zhǔn)的XML描述文件：
該數(shù)據(jù)表單提供了相機(jī)控制和圖像數(shù)據(jù)流訪問的權(quán)限。
圖3-2 GenICam標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)作原理
3.2 高傳輸穩(wěn)定性
GigE Vision會(huì)通過GVCP和GVSP兩種協(xié)議來規(guī)避傳輸風(fēng)險(xiǎn)。此外，GigE Vision還具備心跳包偵測，以及前面提到過的流控協(xié)議、丟包重傳等數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制，能夠全方位地規(guī)避網(wǎng)絡(luò)丟包問題，保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時(shí)進(jìn)一步提升了萬兆網(wǎng)方案的易用性。
3.3 精準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)議
在機(jī)器視覺的應(yīng)用場景中，許多情況下都會(huì)需要應(yīng)用多臺(tái)相機(jī)同時(shí)進(jìn)行抓拍，如大型同步場景等。一般來說，只能通過硬觸發(fā)給多個(gè)相機(jī)信號(hào)進(jìn)行同步抓拍，或者通過客戶端軟件進(jìn)行軟觸發(fā)。
然而硬件方案一般來說都具備較高的布線復(fù)雜度，還需要借助其他設(shè)備給予信號(hào)，但存在微妙級的信號(hào)延時(shí)(上升沿為幾微秒，下降沿則為數(shù)十微秒)，對于同步性要求極高的應(yīng)用不適用;普通軟件觸發(fā)方案理論上是基于NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)對多臺(tái)相機(jī)按順序進(jìn)行觸發(fā)，信號(hào)延時(shí)可達(dá)毫秒級別(LAN上小于1毫秒，WAN上幾十毫秒)，同步性較硬件方案更差。
基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的IEEE1588的精準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)議(即PTP)的開發(fā)，則確保了多相機(jī)聯(lián)網(wǎng)的可行性，高同步性的多相機(jī)方案得以實(shí)現(xiàn)。
PTP(Precision Time Protocol，精確時(shí)鐘協(xié)議)是一種時(shí)間同步的協(xié)議，用于對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或其他采用多播技術(shù)的分布式總線系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設(shè)備中的時(shí)鐘進(jìn)行亞微秒級同步(也可被借用于相機(jī)等設(shè)備之間的拍攝頻率同步)。PTP可以以純軟件的方式實(shí)現(xiàn)，也可以用能夠提供更精確的時(shí)間同步的專門的硬件實(shí)現(xiàn)。
圖3-3 PTP架設(shè)示意圖
海康機(jī)器人以太網(wǎng)接口工業(yè)相機(jī)均支持PTP功能，且MVS客戶端、SDK均可提供PTP服務(wù)，通過給予同網(wǎng)段內(nèi)的多臺(tái)網(wǎng)口相機(jī)軟觸發(fā)信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)多相機(jī)的同步拍攝應(yīng)用。
下一期我們將繼續(xù)具體闡述萬兆網(wǎng)的各方面優(yōu)勢，并從萬兆網(wǎng)相機(jī)的選型和配件配置，以及在不同行業(yè)中的應(yīng)用展開探討，敬請期待!
