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高速、高解析度相机与介面之演化
未来介面-快速、远距离、防故障
[作者 Balser]   2021年04月16日 星期五 浏览人次: [876]

为了追上感光元件在解析度与速度上的不断提升,後端的介面技术也必须在维持合理价格的前提下,不断发展出更高的频宽与可靠性。本文将带您认识未来的高速相机介面,并根据应用上的不同提供一些产品选择的见解。


视觉技术的市场一向渴??更多。我们要更多的资料、更多的细节、更高的准确度,而这些都可以透过提高解析度来达成。工厂和实验室要能够提高检验速度,相机就必须更快地将更大量的影像资料传送到电脑里。产业也不可避免地必须面对这些难题,推出更快速、解析度更高的解决方案。


现今市场上的相机已经能具有极高的速度和解析度,并提供各式各样的感光元件选项。而相机技术的发展也不只是发生在感光元件等前端硬体,後端的介面技术也正蓬勃发展。频宽更高、传输更可靠的新介面也持续拓展着视觉应用的可能性。


目前市面上有哪些高速介面?

为了提供高解析度感光元件所需的资料传输率,市场多年来已发展出数款介面,包含CameraLink、CoaXPress,以及在GigE Vision平台下发展的其他介面。


这些介面之间的差异如下:






































































 


 


 


频宽



CameraLink



CXP-6



CXP-12/CXP-10



5GigE



10GigE



 


Base2.04Gbps


Medium4.08Gbps


Full5.44Gbps


Deca6.80Gbps



单通道:6.25Gbps


最高四通道



单通道:12.5Gbps/ 10Gbps


最高四通道


 



5Gbps



10Gbps



线材



长度



最高10公尺



40公尺



40公尺(标准线)


50公尺(光纤线)



100公尺



60公尺标准线


80公尺优质线



功能



一条线包办传输/供电/触发



一条线包办传输/供电/触发



一条线包办传输/供电/触发



三条线分别用於传输/供电/触发



三条线分别用於传输/供电/触发



接囗



MDR/SDR



BNC / DIN1.0/2.3



Micro BNC/HD-BNC



RJ45



RJ45



成本



★★★



★★



★☆







CPU负荷













相容成熟度













CoaXPress 2.0方案的成本效益优於CoaXPress 1.1方案,因为尽管支援此两种介面的相机价格相似,一个双通道CoaXPress 2.0影像撷取卡却能够用更低的价格提供和四通道CoaXPress 1.1影像撷取卡一样的整体频宽。


与CoaXPress相比,10GigE确实能提供较长的传输距离,并且能够轻易和常见的GigE元件整合。但若牺牲部分频宽,CoaXPress 2.0也同样能大幅提升其传输距离。另一方面,CXP 2.0的一个通道可以提供12.5Gbps的频宽,而10GigE最高频宽只能达到10Gbps。GigE的极限只是CXP 2.0的开始。除此之外,只要运用了Basler boost套组(含相机与介面卡或影像撷取卡)或类似的产品概念,CoaXPress 2.0的整合同样可以非常容易。


最後,由於10GigE晶片组的功耗高,铜线在10GigE全速运作下会产生大量热能。若需要全速使用10GigE介面,势必要克服更多系统设置上的难题。


极致速度

CoaXPress最主要的优点如下:


极高频宽 - 发挥传输率的极限

CoaXPress是目前市面上最快速的介面之一,单通道最高频宽达12.5 Gbps,并可透过多条同轴传输线进一步扩充。


足够的传输线长度 - 有利长距离使用

USB3.1 Gen1和CameraLink介面使用者经常遇到的一个问题是它们的最大线长皆不超过10公尺。CoaXPress不只频宽远高於这些介面,最大线长更高达40公尺,因此是一个非常受到看好的替代方案。在牺牲部分频宽的情况下,CoaXPress的线长甚至可高於100公尺。


随??即用 - 易於连接

CoaXPress采用的同轴传输线同时具备数据传输与供电能力,让相机很轻易就能接上电脑使用。软体方面,CXP和GeniCam以及其他传统的视觉标准经过整合,因此也让相机和电脑软体间的连线变得相当容易。


精确同步 - 精准控制

CXP将影像撷取技术与相机完美结合,即便在多相机的系统中也能达成高度精准的同步并极低延迟。


透过更简易的系统配置与可靠的元件供货提升成本效益

新的电子元件产品与单线解决方案大幅提升了系统的成本效益。CoaXPress 2.0 (CXP-12) 是每单位传输成本最低的介面。


CoaXPress 2.0技术应用时机与方式

机器视觉的应用发展迅速。今日顶尖的视觉系统需要满足远比以往更严苛的需求,例如辨识平面显示器、晶圆、太阳能电池上的微小缺陷,或是同时处理多项PCB品管流程中的光学检查工作。这些(以及其他数不尽的)现有应用和未来新应用都会不断对相机的速度和解析度有更高的需求。CoaXPress 2.0技术能够为最先进的影像感光元件释放完整潜能,因此非常适合用於高需求的应用。


在下文中,我们将带您了解如何在工厂自动化与医疗生科领域等范例中运用这项新技术:


PCB品管用3D AOI系统


图1 :  PCB品管的过程中需要进行多项光学检查,3D AOI系统是一个可以同时满足多样需求的方案。
图1 : PCB品管的过程中需要进行多项光学检查,3D AOI系统是一个可以同时满足多样需求的方案。

PCB品管的过程中需要进行多项光学检查,包含各类SMT与THT元件的完整性检查、类型辨识、以及极性、偏移、位置、高度、文字、名称,或是颜色检查等等。而在SPI(锡膏检查)站点,亦会检查焊接点的形状。


3D AOI系统是一个可以同时满足上述需求的方案,内容包含一个高性能相机头与四个辅助侧面相机、数个照明灯条,以及一个影像撷取卡。高性能相机头检查SMT、THT元件,并透过3D影像检查焊接点之缺陷。系统软体能够快速地透过灯条光线的反射计算出3D影像。侧相机则作为辅助,呈现相机头无法显示的缺陷和其他影像特徵。


Basler的套组方案包含了Basler精选的CXP-12视觉元件(相机搭配介面卡或影像撷取卡),让消费者可以透过更低的价格和更简单的方式,取得大幅改善的测量结果、极高的影像品质,以及更加容易使用的视觉系统设计。


医疗


图2 : 对於影像处理系统设计高性能的需求,除了工厂之外,医疗与生科领域的应用也可以从中获取许多好处。
图2 : 对於影像处理系统设计高性能的需求,除了工厂之外,医疗与生科领域的应用也可以从中获取许多好处。

虽然对高性能的需求主要来自於工厂,医疗与生科领域的应用也可以从中获取许多好处。其中一些适合的应用包含(但不限於)显微镜、病理玻片扫描,以及NGS(次世代基因定序)。


越来越多的手术显微镜开始配备可即时传送影像的相机。在此应用中,几项关键的需求包含高水准的细节呈现、高频宽(以利顺畅的资料传输)、足够的对比度(以即时呈现亮暗部细节),以及优异的色彩精准度(以提供精确诊断)。


在病理玻片扫描的应用中,扫描的时间必须控制在可接受的范围内。扫描时间主要取决於样本大小以及相机的特性(如视角与频宽)。在整体扫描范围不变的情况下,相机单次捕捉影像的涵盖范围越大,所需要的扫描位置就越少,整体扫描过程也越快。


实验室现在运用比以往更快、更可靠的方式进行基因定序与遗传物质分析。为了取得高频率、高解析度的影像,必须使用性能强大的视觉系统。一个包含CoaXPress 2.0介面、相机、介面卡/影像撷取卡,以及其他视觉元件的系统能够在减少安装难度的同时,满足高品质测量的需求。


所有CoaXPress 2.0标准的优点(易於使用、整合快速、价格实惠、高品质影像、高频宽)以及所有需要的高端元件(相机、镜头、线材、介面卡、影像撷取卡)都可以透过Basler一次取得。boost CXP-12相机亦可单独购买。


总结

CoaXPress 2.0标准适用於工业影像处理,能够在长距离下实现大量/高速资料传输。作为Camera Link标准的继承者,此机器视觉介面必须透过额外的电脑介面卡才能使用。但考虑到庞大的资料传输量,这可以是一项优势。透过介面卡,CPU的性能不会受到资料传输的影响,因此可完全运用在影像处理作业上。


使用CoaXPress标准的影像处理系统最适合用於具有高性能需求的应用,如FPD检查和基因定序。这些系统能够在合理的成本下,达成高阶应用所需的影像品质与资料传输率,并有助於大幅提升系统性能。


Basler可提供所有必需的元件(可单售亦可组合销售),并透过统一的软体平台提供轻易整合与调校。最终带给消费者的是更低的系统复杂性与总体成本。


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