高帶寬需求
電子組件制造商必須持續(xù)改善其生產(chǎn)力與質(zhì)量，才能維持所需的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。由于運(yùn)動(dòng)控制及機(jī)器視覺(jué)可提供比傳統(tǒng)方式更可靠、更具彈性的自動(dòng)檢測(cè)能力，因此在持續(xù)改善的流程中扮演極為重要的角色。制造商需要提高圖像的輸出質(zhì)量及更成熟的圖像處理能力，然而從相機(jī)傳送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)的傳輸率，或稱(chēng)為帶寬，卻經(jīng)常成為必須先行解決的限制因素。
過(guò)去，標(biāo)準(zhǔn)VGA分辨率及30幅/秒的圖像采樣率，即能滿足絕大多數(shù)生產(chǎn)線的需求。然而目前的工業(yè)需求中，要求增大掃描的尺寸，例如線條掃描、立體檢測(cè)、提高生產(chǎn)線輸送帶速率、較為復(fù)雜的圖像處理。然而，帶寬仍是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的主要瓶頸。
Camera Link是一項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)為解決帶寬問(wèn)題而制定。搭配PCI Express總線，Camera Link圖像解決方案可提供超高數(shù)據(jù)傳輸率，最適合高帶寬需求的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。
本文將剖析”高帶寬需求”應(yīng)用與PCI Express、Camera Link及FPGA技術(shù)如何搭配使用，以提高圖像采集及處理率。
供應(yīng)需求
圖1顯示出一般計(jì)算機(jī)型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的基本組件，其中包含一部工業(yè)相機(jī)與光源、信號(hào)線、圖像采集卡及計(jì)算機(jī)。Camera Link則是專(zhuān)為運(yùn)用于此類(lèi)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的工業(yè)相機(jī)與圖像采集卡所開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式規(guī)格。Camera Link規(guī)格是由AIA協(xié)會(huì)（Automate Imaging Association）定義，該協(xié)會(huì)則是由工業(yè)用工業(yè)相機(jī)、信號(hào)線、圖像采集卡制造商所組成的產(chǎn)業(yè)組織。Camera Link采用低電壓差分信號(hào)（LVDS）技術(shù)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并行至序列傳送器及序列至并行接收器則用于傳送圖像數(shù)據(jù)。
Camera Link
如圖2所示， Camera Link標(biāo)準(zhǔn)提供了三種組態(tài)：Base、Medium與Full信號(hào)模式。來(lái)自工業(yè)相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)指定的端口傳送至相對(duì)應(yīng)的圖像采集卡端口。Base組態(tài)包含一組傳送器/接收器，24 bits的視頻數(shù)據(jù)分為A、B、C三個(gè)8-bit端口，外加FVAL（視頻有效）、LVAL（線路有效）、DVAL（數(shù)據(jù)有效）及其他備用信號(hào)、一個(gè)頻率信號(hào)、一個(gè)序列通道以及四個(gè)LVDS一般用途工業(yè)相機(jī)控制信號(hào)。一般而言，工業(yè)相機(jī)控制信號(hào)通常是用于外部觸發(fā)，以達(dá)到實(shí)時(shí)圖像采集。在使用20~85 MHz頻率之下，圖像數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)2.04 Gbps。Medium組態(tài)增加第二組傳送器/接收器對(duì)，使圖像數(shù)據(jù)位倍增為48 bits（8-bit端口也倍增為六個(gè)：A、B、C、D、E、F）、圖像數(shù)據(jù)傳輸率倍增為4.08 Gbps。Full組態(tài)再次增加圖像數(shù)據(jù)位為64 bits，使用八個(gè)8-bit端口：A、B、C、D、E、F、G、H，提高圖像數(shù)據(jù)傳輸率為5.44 Gbps。Camera Link數(shù)據(jù)傳輸路徑，請(qǐng)參閱圖3。
就目前可運(yùn)用的工業(yè)相機(jī)接口而言（Analog、USB、FireWire、GigE），Camera Link具有下列優(yōu)點(diǎn)：
最高帶寬：Camera Link透過(guò)專(zhuān)用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連結(jié)拓樸，串流圖像原始數(shù)據(jù)的速率可高達(dá)5.44 Gbps，且不需受到通訊協(xié)議的限制。
噪聲抑制：Camera Link規(guī)格的最小低電壓差分信號(hào)（LVDS）可提高圖像采集卡、信號(hào)線及工業(yè)相機(jī)之間的圖像總流量。
實(shí)時(shí)信號(hào)： Camera Link不受網(wǎng)絡(luò)潛在因素或通訊協(xié)議的限制。
降低CPU工作負(fù)荷：Camera Link規(guī)格內(nèi)含有圖像處理所使用的標(biāo)準(zhǔn)芯片組。Camera Link圖像采集卡本身也運(yùn)用直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA），以取得最佳的數(shù)據(jù)傳輸性能。使用DMA時(shí)，由圖像采集卡傳輸圖像數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)主機(jī)內(nèi)存時(shí)，不需耗用任何主機(jī)系統(tǒng)CPU的資源。
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支持線性掃描工業(yè)相機(jī)：Camera Link所提供的工業(yè)相機(jī)控制、序列通訊及數(shù)據(jù)串流法，均極適用于線性掃描應(yīng)用。目前市面上的線性掃描相機(jī)大部份支持Camera Link標(biāo)準(zhǔn)。
圖3：Camera Link數(shù)據(jù)傳輸路徑
PCI Express
機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中所使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在已能運(yùn)用新的PCI Express（PCIe）總線技術(shù)。PCIe總線采用序列封包型通訊協(xié)議并搭配交換式拓樸，可提供健全的高帶寬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)機(jī)，大幅改善其前身PCI總線的性能，因?yàn)镻CI總線所提供的是總線型接線方式，所有裝置均共享此32-bit或 64-bit并行總線。PCI Express總線不僅能夠提供彈性的帶寬，更維持現(xiàn)有操作系統(tǒng)、PCI驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用軟件的完整軟件兼容性。PCIe連結(jié)的物理層以1、2、4、8、12及16群組方式設(shè)為數(shù)個(gè)序列信道。每一信道提供2 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，即每四個(gè)通道鏈接相當(dāng)于8 Gbps數(shù)據(jù)傳輸率。PCIe信道同時(shí)提供專(zhuān)用的總線，而PCI總線則必須由所有PCI裝置及部份系統(tǒng)功能共享。換言之，PCIe總線提供了圖像數(shù)據(jù)傳輸專(zhuān)用的鏈接，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不需共享帶寬。
FPGA型圖像處理
由于圖像數(shù)據(jù)的傳輸量增加，使得計(jì)算機(jī)型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)算能力也必須相對(duì)提高，才能維持所需的性能。如前文所述，絕大部份的圖像采集卡可支持DMA，以降低CPU的工作負(fù)荷。然而，由計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行圖像處理仍會(huì)加重CPU的工作負(fù)荷，同時(shí)也形成系統(tǒng)的瓶頸。
過(guò)去，圖像處理帶寬的唯一解決方案，是采用ASIC在工業(yè)相機(jī)上或圖像采集卡上直接進(jìn)行圖像處理。然而ASIC解決方案卻明顯提高開(kāi)發(fā)成本、拉長(zhǎng)產(chǎn)品上市時(shí)間并限制了處理彈性。近年來(lái)，雖然用戶(hù)因雙核處理器等計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)提高圖像處理帶寬而受惠，但處理器解決方案仍受到無(wú)法整合其他硬件I/O信號(hào)的限制。
使用FPGA（可程序邏輯門(mén)陣列）型的可程序組件，可同時(shí)解決ASIC及處理器型總輸出量解決方案的難題。FPGA提供一套邏輯組件，使圖像采集卡本身可于圖像采集的同時(shí)執(zhí)行各項(xiàng)預(yù)先處理功能，且不將任何工作負(fù)荷加載于主機(jī)CPU。CPU與FPGA的組合，提供了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)性能與成本之間的最佳平衡點(diǎn)。采用FPGA的優(yōu)點(diǎn)包括：
運(yùn)用彈性：FPGA是一種能夠提供可程序、可設(shè)定功能的處理核心。
并行處理：（視規(guī)格而定）為提高性能，F(xiàn)PGA提供預(yù)先處理演算（例如非特定矩陣相乘）所需的并行運(yùn)算能力，加速計(jì)算流程。
再利用性：FPGA能快速整合智能財(cái)產(chǎn)（IP）區(qū)塊，且不需修改邏輯程序部份，從根本上縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
內(nèi)存存?。翰糠輬D像預(yù)先處理作業(yè)需要執(zhí)行多重視框或線條之間的運(yùn)算。參考圖像及線條儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)存內(nèi)，使FPGA能夠并行存取這些內(nèi)存。
PCI Express的執(zhí)行：多數(shù)FPGA供貨商均提供PCI Express IP核心，用于執(zhí)行PCI Express通訊協(xié)議。使用此類(lèi)FPGA可降低圖像采集卡的硬件成本。
FPGA可執(zhí)行陰影修正、色彩空間轉(zhuǎn)換、圖像旋轉(zhuǎn)、查表運(yùn)算符等預(yù)先處理功能。FPGA亦可加強(qiáng)傳送至主機(jī)CPU之前的實(shí)時(shí)圖像作業(yè)，并進(jìn)一步支持系統(tǒng)性能與成本間取得平衡點(diǎn)的概念。
系統(tǒng)組合
Camera Link、FPGA及PCIe技術(shù)的結(jié)合，可提供線性掃描與立體檢測(cè)等先進(jìn)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用所需的高帶寬、高傳輸速率。
例如，平板表面檢測(cè)通常需要多通道同時(shí)采集。PCI Express型系統(tǒng)可支持多張圖像采集卡，并提供各采集卡至主機(jī)內(nèi)存的專(zhuān)用鏈接。由于PCI Express總線具有極高的帶寬，使得各采集卡均能以全速采集圖像，且不需共享帶寬。因此，系統(tǒng)中各采集卡之間不會(huì)相互影響，也使檢測(cè)系統(tǒng)能獲得最大輸出量。然而，由于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的圖像質(zhì)量與圖像處理速度提高，計(jì)算機(jī)主機(jī)本身可能仍無(wú)法滿足效能的需求；增加FPGA的使用，則可同時(shí)提升性能及設(shè)計(jì)彈性。
Camera Link為現(xiàn)有機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用在帶寬、實(shí)時(shí)信號(hào)與圖像傳輸方面提供了最佳的解決方案。此項(xiàng)技術(shù)結(jié)合FPGA等其他技術(shù)后，不僅可進(jìn)一步提升系統(tǒng)的整體性能，更能以最合理的價(jià)位提供系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商所需的高性能及高分辨率功能。
（轉(zhuǎn)載）
