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高速、高解析度相機與介面之演化
未來介面–快速、遠距離、防故障

【作者: Balser】   2021年04月16日 星期五

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為了追上感光元件在解析度與速度上的不斷提升,後端的介面技術也必須在維持合理價格的前提下,不斷發展出更高的頻寬與可靠性。本文將帶您認識未來的高速相機介面,並根據應用上的不同提供一些產品選擇的見解。


視覺技術的市場一向渴望更多。我們要更多的資料、更多的細節、更高的準確度,而這些都可以透過提高解析度來達成。工廠和實驗室要能夠提高檢驗速度,相機就必須更快地將更大量的影像資料傳送到電腦裡。產業也不可避免地必須面對這些難題,推出更快速、解析度更高的解決方案。


現今市場上的相機已經能具有極高的速度和解析度,並提供各式各樣的感光元件選項。而相機技術的發展也不只是發生在感光元件等前端硬體,後端的介面技術也正蓬勃發展。頻寬更高、傳輸更可靠的新介面也持續拓展著視覺應用的可能性。


目前市面上有哪些高速介面?

為了提供高解析度感光元件所需的資料傳輸率,市場多年來已發展出數款介面,包含CameraLink、CoaXPress,以及在GigE Vision平台下發展的其他介面。


這些介面之間的差異如下:


表1:高速介面之間的差異

 

 

頻寬

CameraLink

CXP-6

CXP-12/CXP-10

5GigE

10GigE

Base2.04Gbps

Medium4.08Gbps

Full5.44Gbps

Deca6.80Gbps

單通道6.25Gbps

最高四通道

單通道12.5Gbps/ 10Gbps

最高四通道

 

5Gbps

10Gbps

線材

長度

最高10公尺

40公尺

40公尺

(標準線)

50公尺

(光纖線)

100公尺

60公尺標準線

80公尺優質線

功能

一條線包辦傳輸/供電/觸發

一條線包辦傳輸/供電/觸發

一條線包辦傳輸/供電/觸發

三條線分別用於傳輸/供電/觸發

三條線分別用於傳輸/供電/觸發

接口

MDR/SDR

BNC / DIN1.0/2.3

Micro BNC/HD-BNC

RJ45

RJ45

成本

★★★

★★

★☆

CPU負荷

相容成熟度


CoaXPress 2.0方案的成本效益優於CoaXPress 1.1方案,因為儘管支援此兩種介面的相機價格相似,一個雙通道CoaXPress 2.0影像擷取卡卻能夠用更低的價格提供和四通道CoaXPress 1.1影像擷取卡一樣的整體頻寬。


與CoaXPress相比,10GigE確實能提供較長的傳輸距離,並且能夠輕易和常見的GigE元件整合。但若犧牲部分頻寬,CoaXPress 2.0也同樣能大幅提升其傳輸距離。另一方面,CXP 2.0的一個通道可以提供12.5Gbps的頻寬,而10GigE最高頻寬只能達到10Gbps。GigE的極限只是CXP 2.0的開始。除此之外,只要運用了Basler boost套組(含相機與介面卡或影像擷取卡)或類似的產品概念,CoaXPress 2.0的整合同樣可以非常容易。


最後,由於10GigE晶片組的功耗高,銅線在10GigE全速運作下會產生大量熱能。若需要全速使用10GigE介面,勢必要克服更多系統設置上的難題。


極致速度

CoaXPress最主要的優點如下:


極高頻寬 – 發揮傳輸率的極限

CoaXPress是目前市面上最快速的介面之一,單通道最高頻寬達12.5 Gbps,並可透過多條同軸傳輸線進一步擴充。


足夠的傳輸線長度 – 有利長距離使用

USB3.1 Gen1和CameraLink介面使用者經常遇到的一個問題是它們的最大線長皆不超過10公尺。CoaXPress不只頻寬遠高於這些介面,最大線長更高達40公尺,因此是一個非常受到看好的替代方案。在犧牲部分頻寬的情況下,CoaXPress的線長甚至可高於100公尺。


隨插即用 – 易於連接

CoaXPress採用的同軸傳輸線同時具備數據傳輸與供電能力,讓相機很輕易就能接上電腦使用。軟體方面,CXP和GeniCam以及其他傳統的視覺標準經過整合,因此也讓相機和電腦軟體間的連線變得相當容易。


精確同步 – 精準控制

CXP將影像擷取技術與相機完美結合,即便在多相機的系統中也能達成高度精準的同步並極低延遲。


透過更簡易的系統配置與可靠的元件供貨提升成本效益

新的電子元件產品與單線解決方案大幅提升了系統的成本效益。CoaXPress 2.0 (CXP-12) 是每單位傳輸成本最低的介面。


CoaXPress 2.0技術應用時機與方式

機器視覺的應用發展迅速。今日頂尖的視覺系統需要滿足遠比以往更嚴苛的需求,例如辨識平面顯示器、晶圓、太陽能電池上的微小缺陷,或是同時處理多項PCB品管流程中的光學檢查工作。這些(以及其他數不盡的)現有應用和未來新應用都會不斷對相機的速度和解析度有更高的需求。CoaXPress 2.0技術能夠為最先進的影像感光元件釋放完整潛能,因此非常適合用於高需求的應用。


在下文中,我們將帶您了解如何在工廠自動化與醫療生科領域等範例中運用這項新技術:


PCB品管用3D AOI系統


圖1 : PCB品管的過程中需要進行多項光學檢查,3D AOI系統是一個可以同時滿足多樣需求的方案。
圖1 : PCB品管的過程中需要進行多項光學檢查,3D AOI系統是一個可以同時滿足多樣需求的方案。

PCB品管的過程中需要進行多項光學檢查,包含各類SMT與THT元件的完整性檢查、類型辨識、以及極性、偏移、位置、高度、文字、名稱,或是顏色檢查等等。而在SPI(錫膏檢查)站點,亦會檢查焊接點的形狀。


3D AOI系統是一個可以同時滿足上述需求的方案,內容包含一個高性能相機頭與四個輔助側面相機、數個照明燈條,以及一個影像擷取卡。高性能相機頭檢查SMT、THT元件,並透過3D影像檢查焊接點之缺陷。系統軟體能夠快速地透過燈條光線的反射計算出3D影像。側相機則作為輔助,呈現相機頭無法顯示的缺陷和其他影像特徵。


Basler的套組方案包含了Basler精選的CXP-12視覺元件(相機搭配介面卡或影像擷取卡),讓消費者可以透過更低的價格和更簡單的方式,取得大幅改善的測量結果、極高的影像品質,以及更加容易使用的視覺系統設計。


醫療


圖2 : 對於影像處理系統設計高性能的需求,除了工廠之外,醫療與生科領域的應用也可以從中獲取許多好處。
圖2 : 對於影像處理系統設計高性能的需求,除了工廠之外,醫療與生科領域的應用也可以從中獲取許多好處。

雖然對高性能的需求主要來自於工廠,醫療與生科領域的應用也可以從中獲取許多好處。其中一些適合的應用包含(但不限於)顯微鏡、病理玻片掃描,以及NGS(次世代基因定序)。


越來越多的手術顯微鏡開始配備可即時傳送影像的相機。在此應用中,幾項關鍵的需求包含高水準的細節呈現、高頻寬(以利順暢的資料傳輸)、足夠的對比度(以即時呈現亮暗部細節),以及優異的色彩精準度(以提供精確診斷)。


在病理玻片掃描的應用中,掃描的時間必須控制在可接受的範圍內。掃描時間主要取決於樣本大小以及相機的特性(如視角與頻寬)。在整體掃描範圍不變的情況下,相機單次捕捉影像的涵蓋範圍越大,所需要的掃描位置就越少,整體掃描過程也越快。


實驗室現在運用比以往更快、更可靠的方式進行基因定序與遺傳物質分析。為了取得高頻率、高解析度的影像,必須使用性能強大的視覺系統。一個包含CoaXPress 2.0介面、相機、介面卡/影像擷取卡,以及其他視覺元件的系統能夠在減少安裝難度的同時,滿足高品質測量的需求。


所有CoaXPress 2.0標準的優點(易於使用、整合快速、價格實惠、高品質影像、高頻寬)以及所有需要的高端元件(相機、鏡頭、線材、介面卡、影像擷取卡)都可以透過Basler一次取得。boost CXP-12相機亦可單獨購買。


總結

CoaXPress 2.0標準適用於工業影像處理,能夠在長距離下實現大量/高速資料傳輸。作為Camera Link標準的繼承者,此機器視覺介面必須透過額外的電腦介面卡才能使用。但考慮到龐大的資料傳輸量,這可以是一項優勢。透過介面卡,CPU的性能不會受到資料傳輸的影響,因此可完全運用在影像處理作業上。


使用CoaXPress標準的影像處理系統最適合用於具有高性能需求的應用,如FPD檢查和基因定序。這些系統能夠在合理的成本下,達成高階應用所需的影像品質與資料傳輸率,並有助於大幅提升系統性能。


Basler可提供所有必需的元件(可單售亦可組合銷售),並透過統一的軟體平台提供輕易整合與調校。最終帶給消費者的是更低的系統複雜性與總體成本。


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