相機傳感器的常用接口USB和GigE講解

?

隨著相機傳感器能夠傳輸越來越多的數據，選擇適當的接口對于成像應用而言越來越重要。兩種常用接口為USB和GigE。多年來，接口電纜和連接器發生千變萬化，因此全面回顧這些接口以及其與現代傳感器技術的比較將有助于說明接口技術當前的發展狀態。

帶 寬

了解成像系統的帶寬能力和要求對于利用高分辨率、更優幀率和更快的傳輸速度至關重要。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；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量（如30幀/秒）。

BD：位深度，如8、10、12、14、16等值。這些值在內存中的儲存形式為8-bit，這意味著8-bit到16-bit的任何內容在內存中必須用16-bit表示。 用于除法的常量值表示如下： 8：將每秒位數轉換為每秒字節數。

1024：字節轉換為千字節。 1024：千字節轉換成兆字節。 這是測量視覺系統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/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，主要關注點是帶寬。確保視覺系統能夠有效傳輸來自現代傳感器技術（例如SonyPregius或Starvis系列傳感器）的大量數據至關重要。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已經發生了許多變化。在圖2中可以看到帶寬呈指數增長，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的消費者感到費解。應注意的是，由于各種硬件并不總是像USB標準那樣經常更新，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備，而其他類型的連接器則常用于某些高端工業產品。工業用途中最常見的USB連接器類型如圖4所示。

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

GigE接口

對于視覺系統與目標（系統傳輸數據的服務器或計算機）之間距離較大的應用，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相機可應用于各種遠程應用，例如工廠自動化或視覺引導機器人。 使用10/25 GigE接口的視覺系統需要服務器或網絡交換機等特殊設備來處理特定協議。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調制解調器或路由器連接的常見CAT5網絡電纜不同。 由于舊版CAT5標準電纜的普及，開發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，例如承載許多產品的移動傳送帶或與移動物體交互的機器人系統。幀率大幅提升意味著生產力提升，檢查和生產設備的速度更快。 ?

GigE設置與USB

如前所述，與服務器/計算機之間的距離成為影響因素時，GigE具有優勢。但是，USB是一種更“即插即用”的接口，因此設置起來更簡單。對于大多數計算機而言，GigE設備可能需要設置IP地址并用掉該設備唯一可用的網絡端口。 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備才能運行。另一方面，USB設備不需要注冊IP地址，大多數計算機甚至低端設備都有多個USB端口。 然而，將多臺GigE相機連接到一個網絡交換機時，電纜更長意味著能夠在整個區域內靈活定位。在出廠設置情況下，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絡交換機進行整合，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特定設置。無論是整個設施中采用CAT 5電纜的建筑物，還是飛機的大型結構；都很容易對GigE連接進行調整，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。不實現新標準的主要問題與各種硬件制造商設計新框架所需的時間有關。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品集成。此外，市場上需要涌現大量更新標準的需求，才能使制造商將研發時間從其他潛在的升級中轉移出來。 ?

開銷

特定接口的處理開銷通常不會對性能產生顯著影響。然而，對于使用大型成像集群進行航空成像的大規模應用，需要高準確度才能創建鑲嵌圖。視覺系統的處理單元在此類應用中至關重要，但使用GigE接口會給處理器帶來更重的負荷。因此，當系統設計需要較低的處理壓力并進行優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。 如果沒有適當的接口技術，視覺系統就無法充分發揮潛力。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。實現特定標準（如USB 3或GigE）的每件設備在穩定比特率方面都會有所不同。每個設備都需要對通過接口傳輸的信息進行編碼。這個過程稱為處理開銷。這種編碼過程使特定設備實現宣傳或預期的帶寬。 ?

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連接或以太網供電（PoE）（以太網電纜通過同一連接傳輸電力和數據）等方式供電。在大多數大畫幅相機上，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。對于需要最輕設計的電池供電無人機而言，這個問題尤為重要。但應注意的是，飛行器的接線可能非常復雜，導致需要更長的電纜將PSU連接至相機。如果物理設計需要更長的電纜，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等接口傳輸的數據進行編碼，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，視覺系統領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，這是視覺系統的典型底層軟件接口。

結 論

不同的應用需要不同的相機。通過找到最適合特定應用的視覺系統實現長距離連接能力、最小化處理要求的能力和最大化傳輸圖像數量的能力。 編輯：黃飛

?