相机传感器的常用接口USB和GigE讲解

 

随着相机传感器能够传输越来越多的数据，选择适当的接口对于成像应用而言越来越重要。两种常用接口为USB和GigE。多年来，接口电缆和连接器发生千变万化，因此全面回顾这些接口以及其与现代传感器技术的比较将有助于说明接口技术当前的发展状态。

带 宽

了解成像系统的带宽能力和要求对于利用高分辨率、更优帧率和更快的传输速度至关重要。以下公式可用于确定接口是否满足必要带宽的要求。

B：带宽。 R：像素数；分辨率（像素高度乘以像素宽度）或相机的百万像素值。 f：帧率，即每秒拍摄的图像数量（如30帧/秒）。

BD：位深度，如8、10、12、14、16等值。这些值在内存中的储存形式为8-bit，这意味着8-bit到16-bit的任何内容在内存中必须用16-bit表示。 用于除法的常量值表示如下： 8：将每秒位数转换为每秒字节数。

1024：字节转换为千字节。 1024：千字节转换成兆字节。 这是测量视觉系统所需带宽的实际示例。搭载-890万像素传感器、USB 3.1 Gen 1（又称USB 3.2 Gen 1）接口，帧率为19fps（帧/秒）的Teledyne Lumenera Lt945R相机拍摄12-bit图像将需要324MB/s（兆字节/秒）的带宽。此带宽低于USB 3.1 Gen 1的最大输出（约380MB/s），因此接口能够充分利用传感器。 在考虑使用哪种类型的接口时，主要关注点是带宽。确保视觉系统能够有效传输来自现代传感器技术（例如SonyPregius或Starvis系列传感器）的大量数据至关重要。如图1所示，每一代Sony Pregius系列传感器的实际带宽不断增加。第一代、第二代和第三代Pregius传感器的带宽分别为4.7、9.5和18.4Gbit/s（千兆位/秒）。

接 口

USB接口

USB标准开始于USB 1.0，撰写本文时，USB 3.2 Gen 2x2已经发生了许多变化。在图2中可以看到带宽呈指数增长，其中每一代的带宽都至少翻了一倍。目前，USB 3有5、10和20 Gbit/s版本，经历了多次改名，但在演变过程中，常用的USB 2.0标准依然保持不变。

因此，USB 3的原始5Gbit/s标准经历了不止一次的改名。这会让许多试图了解哪个名称具体与哪个带宽相关的消费者感到费解。应注意的是，由于各种硬件并不总是像USB标准那样经常更新，仍然使用旧的USB版本名称。下文图3显示了带有相应信息的各种USB版本。

USB连接器的类型多种多样可能也会令消费者困惑。但是，某些类型的连接器更常用于低端设备，而其他类型的连接器则常用于某些高端工业产品。工业用途中最常见的USB连接器类型如图4所示。

许多视觉系统仍然使用的其他传统USB连接器包括：USB 2 Type-A、USB 2 Type-B、USB 2 Mini-B和USB 2 Micro-B。根据设备的大小和形状，可能适用的USB连接器类型更多。  

GigE接口

对于视觉系统与目标（系统传输数据的服务器或计算机）之间距离较大的应用，GigE接口可能是更好的解决方案。与USB的最大电缆长度为10英尺不同，GigE的连接电缆可以延伸至100英尺。距离长十倍，GigE相机可应用于各种远程应用，例如工厂自动化或视觉引导机器人。 使用10/25 GigE接口的视觉系统需要服务器或网络交换机等特殊设备来处理特定协议。使用更高带宽的GigE接口时需要CAT6电缆。这种电缆与办公室或家中大多数调制解调器或路由器连接的常见CAT5网络电缆不同。 由于旧版CAT5标准电缆的普及，开发一个新的标准来最大限度地提高CAT5性能。NBASE-T是一种向后兼容的标准，但能够达到2.5和5Gbit/s的传输速度。这意味着旧版CAT5电缆可以实现高于标准GigE带宽的传输速度，如图5所示。

使用这些新版标准可以提高传输速度，但优化硬件可以提供更高的帧率。高帧率对于工厂中的高速成像尤为重要，例如承载许多产品的移动传送带或与移动物体交互的机器人系统。帧率大幅提升意味着生产力提升，检查和生产设备的速度更快。  

GigE设置与USB

如前所述，与服务器/计算机之间的距离成为影响因素时，GigE具有优势。但是，USB是一种更“即插即用”的接口，因此设置起来更简单。对于大多数计算机而言，GigE设备可能需要设置IP地址并用掉该设备唯一可用的网络端口。 如前所述，带宽更高的GigE标准（例如10/25 GigE）需要特殊的布线和设备才能运行。另一方面，USB设备不需要注册IP地址，大多数计算机甚至低端设备都有多个USB端口。 然而，将多台GigE相机连接到一个网络交换机时，电缆更长意味着能够在整个区域内灵活定位。在出厂设置情况下，这些相机都可以拍摄运动部件的高速图像。这些相机通常可以使用网络交换机进行整合，将每台相机分配至同一个接口。 GigE相机的另一个优势是GigE接口更容易配置到定制连接器，这种连接器需要切割或压接电线以适应特定设置。无论是整个设施中采用CAT 5电缆的建筑物，还是飞机的大型结构；都很容易对GigE连接进行调整，因此GigE是定制解决方案的首选接口。  

更高的带宽标准

在考虑视觉系统使用的接口时，很容易选择带宽更高的选项。然而，即使USB 3接口的带宽高于标准GigE，也有许多GigE版本可以达到25 Gbit/s的带宽，如图6所示，其中比较了标准GigE和10 GigE。

两种接口的更高带宽标准仍然比较少见，目前正缓慢融入市场。不实现新标准的主要问题与各种硬件制造商设计新框架所需的时间有关。与前几年相比，标准的更新频率更高，制造商必须选择何时实施以及将哪些新标准与其产品集成。此外，市场上需要涌现大量更新标准的需求，才能使制造商将研发时间从其他潜在的升级中转移出来。  

开销

特定接口的处理开销通常不会对性能产生显著影响。然而，对于使用大型成像集群进行航空成像的大规模应用，需要高准确度才能创建镶嵌图。视觉系统的处理单元在此类应用中至关重要，但使用GigE接口会给处理器带来更重的负荷。因此，当系统设计需要较低的处理压力并进行优化来使用更短的电缆时，使用USB 3接口通常是最佳解决方案。 如果没有适当的接口技术，视觉系统就无法充分发挥潜力。适当接口的选择问题源自每个接口是否有其独特的优势。即使带宽不断增加，接口实际上也只能传输传感器理论最大带宽的一小部分。图2、5和6中列出的带宽速度实际上是每个接口的理论限值。实现特定标准（如USB 3或GigE）的每件设备在稳定比特率方面都会有所不同。每个设备都需要对通过接口传输的信息进行编码。这个过程称为处理开销。这种编码过程使特定设备实现宣传或预期的带宽。  

电源要求和附加重量

使用GigE的电源需求通常高于USB。因此，GigE相机可能需要外部电源。但是，许多相机可以通过USB连接或以太网供电（PoE）（以太网电缆通过同一连接传输电力和数据）等方式供电。在大多数大画幅相机上，USB或GigE都需要外部电源，但GigE相机消耗更多电量也会导致电源单元（PSU）消耗更多电量。 在航空成像等对重量敏感的应用中，需要功率更高的PSU可能意味着需要增加飞行器的体积，因此可能会因重量增加而对飞行时间和飞行能力造成阻碍。对于需要最轻设计的电池供电无人机而言，这个问题尤为重要。但应注意的是，飞行器的接线可能非常复杂，导致需要更长的电缆将PSU连接至相机。如果物理设计需要更长的电缆，GigE接口可能是首选。对于需要其他硬件的10 GigE相机，体积和重量增加对于无人机来说可能会是一个重大的问题，并且可能无法选择特定的接口。

视觉标准

通过对USB3等接口传输的数据进行编码，传输速度最终平均约为380MB/s，而不是3.1 Gen 1标准中支持的最大速度625MB/s。在评估各种可用选项时，必须考虑这些实际速度。目前，视觉系统领域采用的主要标准包括 USB3 Vision标准和GigE Vision标准。更高带宽的选项是USB3 Vision，相当于用于成像应用的USB 3.1 Gen 2标准。USB3 Vision标准采用相机通用接口（GenlCam）标准，这是视觉系统的典型底层软件接口。

结 论

不同的应用需要不同的相机。通过找到最适合特定应用的视觉系统实现长距离连接能力、最小化处理要求的能力和最大化传输图像数量的能力。 编辑：黄飞