白皮书：了解 10、25、50 和 100GigE Vision 的优势
超高数据和帧速率、低 CPU 开销、电缆长度选项、经济性和简单性是 GigE Vision 的众多优势之一。
随着对驱动机器视觉应用的高速解决方案的需求，制造商在组件方面有很多选择。 图像采集卡是一种选择。 然而，通过在驱动程序级别进行更改——连同现有的高速网卡技术——有可能实现 100GigE 速度甚至更高的速度，同时与基于图像采集卡的技术具有相同的性能和更低的成本。 以下是 GigE Vision 相机的简要时间表； 界面的细节、优点和好处； 以及有关使用 10GigE 到 100GigE 以保持制造及其他领域机器视觉解决方案领先优势的信息。
GigE 相机发展的简要背景
2010 年，Emergent Vision Technologies 推出了第一款带有 10GigE 接口的相机。 图像传感器的进步和对更高速接口的需求导致了 25 年首款 2018GigE 相机的发布。不断提高的传感器速度再次推动了高速视觉需求，导致 100 年出现了 2020GigE 相机（图 1）。
现在有许多 GigE Vision 解决方案和附件可供使用。 通常，相机决定分辨率和帧速率，这是高速成像应用中的决定性因素。 然而，附件和集成在图像采集框架中也起着重要作用。 一家知名的机器视觉技术公司提供完整的采集解决方案，并就经过良好测试的架构提供建议，以提供超高速应用所需的性能。
传统到优化的 GigE
传统的 GigE 帧采集模型如图 2 所示。当 1 GigE 不是最佳选择时，基于英特尔 PRO/1000 的网络接口卡 (NIC) 是高性能驱动程序实施的首选。
图 3 所示的优化 GigE 模型提供了远程直接内存访问 (RDMA) 和 RDMA over converged Ethernet (RoCE)。 该系统提供低 CPU 使用率和无丢失帧，具有与 CoaXPress (CXP) 相同的低抖动和延迟。
RDMA 优化的 GigE 模型提供了从一台主机（存储或计算机）的内存到另一台主机的内存的直接访问，而不涉及远程操作系统和 CPU。 RoCE 是支持 RDMA 通过以太网高效传输数据的标准协议，允许通过硬件 RDMA 引擎实现传输卸载。 这种设计网络优化了性能，具有更低的延迟、更低的 CPU 负载和更高的带宽。
GigE 视觉优势
随着 IEEE 标准化和 GigE 解决方案的成功，制造商在硬件、软件和附件方面有了很多选择。 例如，GigE Vision 解决方案可以使用现成的 NIC 或 FPGA 卡直接连接到 100GigE 相机，从而降低系统复杂性。
成像系统设计的驱动力是对更先进的机器视觉的需求。 例如，图形处理单元 (GPU) 在涉及更高速度、3D 成像和深度学习的应用程序中的使用越来越多。 集成 GPU 可以引入 AI 解决方案来驱动高级成像系统。 AI 处理技术的一项重大进步是 NVIDIA 的 BlueField-2，它将 NIC 和 GPU 结合到一个单卡解决方案中。 此类创新不断发展和扩展机器视觉和成像技术的能力。
拥有第三方现成配件，支持GPU，数据传输速度快，帧率不断提升； GigE 相机的好处正在扩大在工厂外的使用。 如图 4 所示，两个带有双 NIC 和 NVIDIA Xavier GPU 的 25 GigE 摄像头为无人机系统部署提供了精确的架构。
随着成像解决方案走出工厂，GigE Vision 降低复杂性的能力对 OEM 越来越重要。 此外，借助 SFP+ (10G)、SFP28 (25G) 和 QSFP28 (100G) 提供的低成本商品收发器部件，单模光纤的传输距离可达 10 公里甚至更远。 在摄像头可能需要远离 PC 的应用中，例如监控、交通和体育技术，电缆长度被证明是至关重要的。 简而言之，采用 GigE 相机的好处包括：
• 超高数据和帧速率
• 覆盖长距离的附件和布线选项
• 摄像机与 PTP（精确时间协议）同步
• 摄像机多路复用和多播
• 低 CPU 开销、低延迟和低抖动
• 由于 IEEE 标准化而得到广泛的跨行业认可
• 具有竞争力的成本和性能
现实生活中的例子和比较：GigE Vision 与 CoaXPress
图 5 中的 GigE Vision 解决方案显示了 24 个 10GigE 摄像头、一个用于 PTP 同步的交换机、将 24 个摄像头多路复用到双 100G 链路，以及一个用于将图像帧放入系统内存的单插槽 100G 双 NIC。 等效的 CXP 系统需要三个八进制图像采集卡。 本例中10GigE与CXP6的区别如表1所示。
图 6 中的另一个真实部署显示了 12 个 25GigE 摄像头、一个交换机和一个双 100G NIC。 要使 CXP 系统达到与此设置相同的性能水平，需要 12 个 CXP12 相机和三个独立的 CXP12 图像采集卡。 那些希望为更长距离部署光纤 CXP 选项的人还需要在材料清单中添加六个光纤适配器，从而进一步增加项目的总成本。
在图 7 中的另一个示例中，它需要 2 个 CXP12 摄像头（每个摄像头有 8 个端口）以及 4 个 CXP-12 图像采集卡，相当于由连接到双 100G NIC 的两个 100GigE 摄像头组成的 GigE Vision 设置，进一步突出成本效益千兆以太网视觉。
使用多个相机时，精确定时和时间戳有助于成像系统根据基于时间的内部命令执行预定和同步的同步采集，而无需外部触发器。 将许多图像和数据组合成一个流需要计算和处理能力。 GigE 相机和配件将多个相机实时组合成一个准确的流。 经济实惠的以太网交换机的可用性为系统设计人员提供了一种简单的方法来启用 IEEE1588 PTP，以实现 1 微秒的多相机同步。
拥有触发选项有助于集成并有助于扩展 GigE 相机应用。 例如，在极少数情况下，客户希望从 NIC 触发摄像机，Emergent 拥有自己的双端口 25Gb NIC 和带前面板触发端口的单端口 100Gb NIC。 另外，前面提到的FPGA卡也有IO口功能。
软件简化了 GigE 集成和操作
随着 GigE 在行业中的广泛采用，有许多软件选项需要考虑。 一个例子是 eCapture 免费查看器软件，它控制用于预览、捕获和保存的所有相机功能。 高级功能包括感兴趣区域 (AOI)、集成控制和标准预处理，包括亮度、伽玛和帧速率控制。
eSDK 软件开发套件允许最终用户、系统集成商和原始设备制造商在需要时将他们的 Emergent Vision Technologies 相机集成到他们自己的软件和设备中。
Emergent 还提供 eCapture Pro，这是一个完整的交钥匙软件，适用于 AOI 和体积捕获等各种应用，适用于开发资源有限或没有超高速视觉技术专业知识的客户。
未来的高速成像接口
成像速度的进步在很大程度上是由新型图像传感器的出现推动的，而新型图像传感器又是由高速应用需求驱动的。 许多应用程序需要高分辨率图像，如果没有最快的接口，帧速率可能无法满足要求。 10GigE、25GigE、50GigE 和 100GigE 等接口可满足虚拟现实、体积捕获、运动分析和自动光学检测等应用的高分辨率、高速需求。
GigE Vision 的其他优势包括低服务器利用率、简化的系统架构、多播视频技术、具有竞争力的成本和性能以及更短的上市时间。 这些优势使 GigE Vision 解决方案能够将成像应用扩展到多个行业，并将继续这样做。
高速成像的明确选择
在考虑 GigE Vision 在高速成像方面的优势时，人们可能想知道，当 GigE Vision 相机显然为机器视觉应用提供高速接口的最佳选择时，推出像 CXP 这样的新标准是否有足够的优势。 考虑因素包括：
• 支持 10G、25G、50G、100G 和更高速率的超高数据/帧速率
• 使用标准内置 NIC 功能，CPU 和内存利用率相同
• 稳定的图像采集时间
• 图像采集不会减慢处理速度
• 通过小的调整和现成的组件，GigE 几乎可以完成 CXP 可以做的任何事情
• CoaXPress over Fiber 电缆供电消失了
• CoaXPress 使用多同轴电缆实现高速传输，可以使用额外的电缆为以太网供电
• CoaXPress over Fiber 使用以太网物理层
• CoaXPress over Fiber 是 CXP 的扩展，试图使其跟上 GigE 的速度。 （想想超高速和长电缆长度）
• CoaXPress over Fiber 只有少数相机供应商建议该标准
• CoaXPress 名称本身指的是同轴电缆——不是光纤——因此命名本身具有误导性
• 借助 GigE 加快上市时间，因为 10GigE、25GigE 和 100GigE 现已上市
