隨著機器視覺應用的發(fā)展，行業(yè)需求越來越集中于在保證圖像質量和傳輸穩(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準的軟件進行取流，相對來說使用難度較高，兼容性較差。因此，高性價比、低復雜度的10GigE也越來越受歡迎。

萬兆網(wǎng)相機因其本身具備高帶寬以及長距離傳輸、低架設復雜度、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特點。 

01 主流接口的對比

在工業(yè)相機領域中，GigE憑借著100m（無中繼，典型電口）的遠傳輸距離和1Gbps帶寬、PoE供電等優(yōu)勢，成為性價比最高的接口，并連續(xù)多年市場占有率達到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”[1]。

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格相較萬兆網(wǎng)卡和網(wǎng)線來說，都更高；此外，Camera Link相機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SDK也不同。如果普通相機圖像采集軟件集成所有采集卡的SDK，則會造成軟件安裝包體積過大。因此，大部分標準相機取流軟件都無法直接兼容Camera Link相機，需要與采集卡相匹配的軟件進行取流。例如，當前版本的MVS（V3.3.0）無法直接取流Camera Link接口相機（通過加載采集卡廠商提供的CTI文件才可以取流），只能進行參數(shù)設置等。

與之相比，萬兆網(wǎng)相機的優(yōu)勢則在于更遠的傳輸距離、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，是超高性價比的高帶寬接口。在一些需要高分辨率、高幀率、遠距離的場景應用中，萬兆網(wǎng)相機則是性價比極佳的選擇。

02萬兆網(wǎng)的基本概念2.1網(wǎng)絡的簡要傳輸原理

網(wǎng)絡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)包的形式進行傳輸，也稱為幀（Frame）。每一幀均分為兩個部分：標頭（Head）和數(shù)據(jù)（Data）。其中，標頭包含數(shù)據(jù)包的一些說明項，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，才可以進行超遠距離傳輸。

■電口

電纜中會將數(shù)據(jù)包轉化成電脈沖的形式進行傳輸，其內(nèi)部的電壓是在高低狀態(tài)之間進行變化的。如二進制中的1通過是正電壓來傳輸，0則是通過產(chǎn)生一個負電壓來進行傳輸。如此數(shù)字化服務可比傳統(tǒng)的模擬服務提供更高的可靠性。

圖2-2 電口示意圖

網(wǎng)絡電纜的內(nèi)部線路之間存在電流，并且會產(chǎn)生干擾。在網(wǎng)絡信號傳輸?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)絡信號傳輸在100米后會出現(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，使用光纖線纜，原理是利用光從光密介質進入光疏介質從而發(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[1]

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；最遠的傳輸距離范圍也提升至1-120km左右，是超遠距離和超高速率傳輸?shù)膬?yōu)秀代表[6]。

目前，機器視覺行業(yè)中不斷涌出光口產(chǎn)品，海康機器人同樣也有相關的產(chǎn)品布局計劃，相信在不久的將來，隨著光纖網(wǎng)絡技術的成熟和穩(wěn)定，光口產(chǎn)品會逐漸普及。

03萬兆網(wǎng)的技術特點3.1高傳輸效率

GigE Vision定義了主機如何發(fā)現(xiàn)、控制千兆以太網(wǎng)相機以及從一個或多個GigE相機采集圖像。GigE Vision是萬兆網(wǎng)的基礎協(xié)議，是由AIA制定的通信協(xié)議，可在機器視覺領域通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。

同時，GigE Vision標準是基于UDP協(xié)議，與普通網(wǎng)絡協(xié)議最大的不同點在于應用層協(xié)議。GigE Vision的應用層協(xié)議采用GVCP（控制協(xié)議）來對相機進行配置；采用GVSP（流傳輸協(xié)議）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸[3]。

因此，為保證傳輸效率，各類圖像采集軟件（如MVS）的實現(xiàn)就是基于這兩種協(xié)議。其主要由四部分構成：

■基于UDP協(xié)議的GigE Vision控制協(xié)議：

其定義了如何對相機進行控制和組態(tài)。規(guī)定了相機和PC之間發(fā)送圖像及配置數(shù)據(jù)的流通道和機制；

■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幀流控機制

■GigE設備發(fā)現(xiàn)機制：

該機制提供了獲取IP地址的方法；

■基于GenICam標準的XML描述文件：

該數(shù)據(jù)表單提供了相機控制和圖像數(shù)據(jù)流訪問的權限。

圖3-2 GenICam標準運作原理[1]

3.2高傳輸穩(wěn)定性

GigE Vision會通過GVCP和GVSP兩種協(xié)議來規(guī)避傳輸風險。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)保護機制，能夠全方位地規(guī)避網(wǎng)絡丟包問題，保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時進一步提升了萬兆網(wǎng)方案的易用性。

3.3精準時鐘協(xié)議

在機器視覺的應用場景中，許多情況下都會需要應用多臺相機同時進行抓拍，如大型同步場景等。一般來說，只能通過硬觸發(fā)給多個相機信號進行同步抓拍，或者通過客戶端軟件進行軟觸發(fā)。

然而硬件方案一般來說都具備較高的布線復雜度，還需要借助其他設備給予信號，但存在微妙級的信號延時（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用不適用；普通軟件觸發(fā)方案理論上是基于NTP（網(wǎng)絡時間協(xié)議）對多臺相機按順序進行觸發(fā)，信號延時可達毫秒級別（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)絡協(xié)議的IEEE1588的精準時鐘協(xié)議（即PTP）的開發(fā)，則確保了多相機聯(lián)網(wǎng)的可行性，高同步性的多相機方案得以實現(xiàn)。

PTP（Precision Time Protocol，精確時鐘協(xié)議）是一種時間同步的協(xié)議，用于對標準以太網(wǎng)或其他采用多播技術的分布式總線系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設備中的時鐘進行亞微秒級同步（也可被借用于相機等設備之間的拍攝頻率同步）。PTP可以以純軟件的方式實現(xiàn)，也可以用能夠提供更精確的時間同步的專門的硬件實現(xiàn)[7]。

圖3-3 PTP架設示意圖

海康機器人以太網(wǎng)接口工業(yè)相機均支持PTP功能，且MVS客戶端、SDK均可提供PTP服務，通過給予同網(wǎng)段內(nèi)的多臺網(wǎng)口相機軟觸發(fā)信號，來實現(xiàn)多相機的同步拍攝應用。