GigE Vision千兆网视觉

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Gige Vision

概述

GigE Vision是由自动化影像协会AIA(Automated Imaging Association)发起指定的一种基于千兆以太网的图像传输的标准。具有传输距离长（无中继时100米）、传输效率高并可向上升级到万兆网、通信控制方便、软硬件互换性强、可靠性高等优点，是未来数字图像领域的主要接口标准，必将被越来越多的商家多采用。
GigE Vision标准委员会的主要成员都是国际知名的图像系统软硬件提供商。
GigE Vision与标准千兆以太网相机，在硬件架构上基本完全一样（对网卡的要求有微小区别），只是在底层的驱动软件上有所区别。他主要解决标准千兆网的两个问题：
标准千兆网的两个问题
1. 数据包小而导致的传输效率低。标准千兆网的数据包为1440字节，而GigE Vision 采用所谓的“Jumbo packet”,其最大数据包可达16224字节。
2. CPU占用率过高。标准千兆网采用TCP/IP协议，在部分使用DMA控制以提高传输效率的情况下，可做到82MB/s时CPU占用率15%。GigE Vision 驱动采用UPD/IP协议，采用完全的DMA控制，大大降低了CPU的占用率，在同等配置情况下可做到108MB/s时CPU占用率为2%。

GigE Vision技术

GigE Vision是由AIA创建并推广的，适于工业成像应用，通过网络传输视频信号的标准。随着以太网技术的飞速发展，建立在现存网络标准基础上的GigE Vision在长度和速度上显示了一定的优势。
GigE Vision相对于模拟标准而言的优势是，它是数字的，无需图像采集卡且更偏重与图像处理功能；相对于Camera Link而言，GigE Vision的优势是它的传输距离长、无需图像采集卡和更偏重于图像处理功能；相对于IEEE 1394而言，GigE Vision的最大数据率更高，传输距离更长；相对于USB 2.0而言，GigE Vision的优势是，它是一项更完整的标准、更高的最大数据率、更长的传输距离。
困扰GigE Vision的一个主要问题是，以太网协议是基于包交换的，每次收到数据包的时候都要向CPU发起中断，大数据量的图像传输，使CPU疲于应付数据包的中断，造成丢包、延迟等现象。对此可以采取以下几种不同的改进措施，选择巨帧设置，提高中断节流率，提高接受描述符的值，卸载协议操作和图像重组。对于2K*2K的8位15fps的图像数据，采用巨帧技术时，每秒中断42000次，CPU占用率为21%；采用提高中断节流率技术时，每秒中断7000次， CPU占用率为9%；同时采用巨帧、提高中断节流率、提高接受描述符值三种技术时，每秒中断1100次，CPU占用率为7.4%。同时为了减少控制信息在以太网上的传输延迟，在PC上安装GPIO卡，让PC在对图像进行识别后直接向弹出机构发出次品弹出控制信号。
GigE Vision的MIL驱动是GigE Vision与硬件无关的关键。只需要选择合适的网卡编写相应的XML格式的MIL驱动，即可应用GigE Vision。MIL驱动发送真实的待处理图像，CPU占用低；支持点对点网络或者交换机网络配置；支持单端口或多端口NIC；最多可同时控制16部摄像 头；支持强制性标准和推荐性标准的摄像头特征；甚至可以自定义相机特性。

机器视觉产品的GigE Vision标准

GigE Vision是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准。在工业机器视觉产品的应用中，GigE Vision允许用户在很长距离上用廉价的标准线缆进行快速图像传输。它还能在不同厂商的软、硬件之间轻松实现互操作。
  自动化成像协会（The Automated Imaging Association，AIA）对该标准的持续发展和执行实施监督。GigE Vision由一支50家公司组成的团队共同开发。这些公司包括有：Adimec、 Atmel、 Basler AG、 CyberOptics、DALSA、JAI A/S、JAI PULNiX、 Matrox、 National Instruments、 Photonfocus、 Pleora Technologies和Stemmer Imaging。GigE Vision基于千兆以太网标准，使用标准的以太网类线缆，它试图统一目前针对机器视觉产品中工业相机的协议，并允许第三方组织开发兼容的软、硬件。
许多产品已经能够支持该标准。National Instruments提供了一款用于PXI Express的高性能
双千兆以太网接口，JAI则发布了两款配有标准GigE Vision数字接口的高性能1600万像素相机。
  AIA的市场分析部门主任Paul Kellett说，“自从该标准于2006年实施以来，GigE Vision相机在出货量上翻了六番并在销售收入上翻了五番。这就打消了人们对GigE Vision的重要性能否保持增长的疑虑。”他还补充道，我们不能够把那些仅宣称自己是“GigE”的设备和GigE Vision混为一谈。GigE设备也许采用了Ethernet方式连接，但是没有“GigE Vision”标志的设备无法使用GigE Vision通信协议，也无法以即插即用的方式和GigE Vision兼容设备连接。
  GigE Vision标准的特点包括快捷的数据传输速率——最高达到1,000Mbit/s（基于1000BASE-T传输介质标准）——以及最远可达100米的传输距离（有些生产商甚至宣称可达150米）。这一距离超过了IEEE 1394、USB和同由自动化成像协会管理且同样应用于机器视觉产品的Cameralink通信协议的传输距离。在使用转换器或中继器的情况下，传输距离还能够进一步增加。如果所使用的线缆是简化形式的，那么还需要一根单独的线缆为相机供电。

GigE Vision主要由四部分构成

  ■  基于UDP协议的GigE Vision控制协议：该标准定义了如何对设备进行控制和组态。规定了相机和计算机之间发送图像及配置数据的流通道和机制；
  ■  GigE Vision流控制协议：该协议涵盖了数据类型的定义和通过GigE传输图像的方式；
  ■  GigE设备发现机制：该机制提供了获取IP地址的方法；
  ■  基于GenICam标准的XML描述文件：该数据表单提供了相机控制和图像数据流访问的权限。
GigE Vision标准委员会发布了该标准的1.1版，同时公布了一些新特性。此外，该标准—原本只发布英文版—现在也有了日文版。GigE Vision标准委员会主席Eric Carey强调：“这是自该标准推出以来的第一个修订版。虽然该修订版本身没有引入新的相机特征，但是它在细节方面的修改使开发商和相机制造商能够更好地控制内部进程，从而提供了功能更全明的相机方案。”
Carey表示，委员会希望该接口能跟上以太网带宽的成长脚步。而且，随着该协议逐渐成为主流，委员会已经计划将10GigE协议融合进来。
  该版本的一些新特征被涵盖在大量更新、声明和改进文档中。这些新特性包括支持新的像素格式和Bayer格式；改进的错误处理功能；支持多个版本的GenICam图解和GenAPI以及能够同时向多台设备发送动作命令和管理执行时间的新命令。
许多现有的设备已经能够支持该标准了。例如，2008年6月，National Instruments发布了其首款用于PXI Express的高性能双千兆以太网接口。2009年4月，JAI全新推出了两款配有标准GigE Vision数字接口的1600万像素相机。这些相机与任何满足GigE Vision或GenICam标准的应用开发工具兼容，并且支持JAI自家的相机控制工具和软件开发包。

Gige Vision性能型驱动和过滤型驱动

GigE Vision性能型驱动将导入的图像数据包与网络上的其他信息快速分开，使用于视觉应用程序的CPU占用率达到最低。此驱动仅适用于配有特定Intel芯片组的网卡。从这里我们可以了解到，NI的IMAQdx驱动使用的就是这种性能型驱动，NI的IMAQdx驱动是必须使用Intel芯片组才可以找到相机并采集图像的，这也是NI视觉软件挑卡的主要原因（后期新版本的IMAQdx驱动，也可以支持非Intel芯片组的网卡，如Realtek等，不过多少可能会存在一些问题）。如果需要使用NI软件采集千兆网相机中的图像，推荐使用Intel芯片组网卡。
GigEVision过滤型驱动支持各种硬件，普通GigE网卡以及主板集成的GigE端口。像Basler这些品牌的相机，基本上都支持过滤型驱动、性能型驱动两种驱动。机器视觉商城有很多Basler的Gige Vision相机，支持以上两种驱动模式。

国产千兆网相机

国产相机中，现在也有许多厂商制造生产千兆网相机，但是我们可以发现一个现象，所有的相机厂商家说明这是千兆网相机，并不会表示该相机符合Gige Vision规范。也就是国产千兆网相机都是使用的Gige协议（TCP/IP），而并没有使用Gige Vision（UDP）协议。这也是国产千兆网相机的图像采集只能通过自己特殊的DLL等进行驱动采集图像，而不能即插即用的原因。而在标准协议上的支持不同，造成了性能上的巨大差别，如大恒的DH-SV401GC/GM（SONY ICX415CCD），40万像素（780×582），帧率只有50FPS，而Basler的acA 640-120gm/gc（SONY ICX618），30万像素（659×494），帧率达到了120FPS，而同样的使用ICX415CCD的Basler acA780-75gm/gc，40万像素（782×582），帧率同样也达到了75FPS。从这些硬性数据上也可以发现，国产相机与国外相机之间的差距。

石鑫华机器视觉网编辑。