视觉标准的商业优势

现在,当制造商寻求实现流程自动化并增进适应更大范围的市场时,视觉技术成为一个非常关键的技术。

标准化对于任何行业都至关重要。历史证明,如果各厂商之间不能同心协力,那么结果就会是阻碍行业发展。举例来说,蓝光(Blu-ray)和高清DVD (HD DVD)之间的标准之战不但浪费了大量的金钱,而且使消费者感到迷惑因而推迟了购买计划,直到厂商在新一代技术上达成一致。

机器视觉,以其迅猛发展的步伐和复杂的来自多个厂商的系统,也不例外。在意识到标准化合作是至关重要的情况下,行业组织和各厂商正在通力合作来制定完备的标准以简化设计、降低成本和增进性能。

本文将讨论机器视觉方面的标准管理和应用,并着重指出与GigE Vision® 和 USB3 Vision™这两个标准兼容的视频接口是如何使系统设计人员和最终用户受益的。

视觉标准的管理

在机器视觉行业里面,有三个协会领导了各个单独标准的制定工作:北美的机器视觉及自动化协会(AIA), 欧洲机器视觉协会(EMVA),和日本工业成像协会(JIIA)。这三个协会在2009年达成合作协议来制定”G3”系列标准。

标准通常由各行业协会里面的技术委员会来管理。当然,每个行业协会都可以创建他们自己的标准,但是提案通常会真诚提交给G3。如果一个提案得到支持,那么相应的标准将会在全球进行开发和应用。

为了帮助监督各协会内部正在进行的大量活动,于2012年在G3的保护下成立了未来标准论坛(FSF),成为一个工作小组。在众多责任中,未来标准论坛基于行业要求提供了标准路线图,通过再利用和协调现有标准路线图避免了标准过多,并确定了需要通过新标准来解决的现有不足。

标准化视频接口

标准在使视觉成为工业自动化的关键性技术的过程中发挥了重要作用。特别是,关于视频传输方面的标准已经帮助支持了现有视频接口产品的开发,显著简化了系统设计和增加了可用性。

在20世纪80年代和90年代初期,机器视觉开始进入生产车间。当时,视频接口-用于格式化图像数据的软件和硬件并以有线或无线的方式发送图像数据然后在端点或显示器接收图像数据-通常基于专有设计方案而建立。这种定制方案虽然满足了性能标准,但在多供应商环境中开发、维护和引进的过程中价格昂贵且耗时。

现有标准,如电信和广播市场的LVDS和HDMI/ DVI,也适用于工业视觉系统。Camera Link ®于2000年被引入,是第一个机器视觉专用标准。当成像系统执行更复杂任务时,终端用户在寻求易于使用和更具成本效益的解决方案,所以,这些接口所带来的局限性变得更加明显。

每一个接口都需要在摄像头和终端之间建立一个专用连接,要么是用于图像分析的计算机或者是用于观察的显示面板。在实际应用中,当图像需要被显示在多个屏幕上或者必须将图像同时分发到多个分析系统时,布线变得昂贵、复杂和难以管理和控制。而且,这些接口需要在各终端配置PCIe抓帧器,以采集数据,限制了可使用的计算机类型。此外,还需要使用昂贵的专用设备来支持实时视频网络。

在认识到这些局限性后,视觉行业制定了一系列旨在简化设计、降低系统成本并更加方便终端用户安装、升级和维护成像系统的标准。

GigE 视觉 (GigE Vision)

GigE Vision,于2006年被引入,规范了通过千兆以太网(GigE)完成的视频传输和设备控制,后来被正式扩展应用于10 GigE和无线以太网。今天,GigE Vision是工业应用中应用最广泛的视频接口标准,并在国防和医疗成像应用中获得了稳固的立足点。

通过GigE Vision接口,图像数据可被直接传送到计算平台上的以太网端口。无需使用PCIe抓帧器,这意味着任何类型的计算机都可以使用,包括笔记本电脑和单板计算机。在利用脐带线连接传输图像的应用中,以太网连接线成本更低且比复杂的Camera Link连接电缆和连接器更便于安装和维护。借助长距离的千兆以太网GigE电缆,可将处理和图像分析设备可以被放置于恶劣环境之外。GigE Vision通过802.11无线链路进行传输,从而允许使用便携式成像系统,而不必担心连接线缠绕的问题。

当GigE Vision标准刚开始被使用的时候,其主要优势在于成本低廉及实现长距离脐带型摄像机-计算机连接。如今,设计人员们正在利用以太网固有的网络灵活性来构建实时切换视频网络,连接多台摄像机和分析计算机及显示器和存储设备以降低整体系统成本。

在Web检查应用中,例如,GigE Vision兼容外置抓帧器完全支持所需的点对点性能,利用网络的灵活性,以多路传输的方式利用现有以太网交换机同时将图像数据传输至多个计算平台。设计人员可以优化个人计算机所存在的各种不同类型的不足,而不是为每个摄像机配置专用PC。如果主计算机下线,则可利用备用计算机进行检查,而无需切换电缆或更改软件设置。这不仅使得上线时间最大化,而且网络解决方案的简洁性降低了整体系统成本。

图1:在某Web检查应用中,外部抓帧器可将现有摄像机中的图像源转化成更容易管理的GigE Vision兼容视频。

USB3 视觉 (USB3 Vision)

基于GigE Vision概念,2013年2月,机器视觉行业规范了通过USB3.0连接线进行的高速图像和视频数据传输,并发布了USB3 视觉 (USB3 Vision) 标准。

利用USB3 Vision,视频和数据可通过灵活的USB3.0连接线直接从摄像机和传感器传输至计算机、笔记本电脑和平板电脑上的现有端口。在短距离传输时USB3.0总线可以达到接近3.0 Gb/s的高速率。

USB3 Vision视频接口非常适合于那些传统上使用复杂的Camera Link连接线和PCIe抓帧器来捕捉计算机图像的工业机器人应用。现在,外部抓帧器可将Camera Link摄像机中的图像源转化成USB3 Vision兼容视频。非压缩的视频 – 同时提供电源供应和控制 –直接利用USB3.0连接线通过低而且一致的延时传输至现有的小型端口和低功耗计算平台上。更细、更轻的USB3.0连接线比复杂而且尺寸大的Camera Link连接线更便于布线,从而可以更快地设置和拆卸不同产品的工作单元而且还可以在同时进行高速数据传输以缩短生产进程。
 
图2:以处理即插即用USB3.0产品的相同方式处理Camera Link摄像机可减少工业机器人系统的设计难度和降低布线复杂性。

设计人员和终端用户受益

很多时候,精心设计的标准却并不能很好地融合设计、成本和性能优势。对于机器视觉市场,行业协会、制造商和供应商主动联手创建了一套开放的全球标准,简化了设计、系统集成,增强了可使用性。这些标准有助于将视觉技术构建成工业自动化应用的关键技术,而且,现在当制造商寻求实现流程自动化并增进适应更大范围的市场时视觉技术也成为一个非常关键的技术。

James Falconer是Pleora 科技公司的应用工程师并代表该公司参与国际标准方面工作。Pleora 科技公司是一家业界领先的工业自动化、医疗和安全成像系统视频接口产品供应商。

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