【海康机器人】10GigE：高带宽易实施的明智选择（上）

随着机器视觉应用的发展，行业需求越来越集中于在保证图像质量和传输稳定的前提下，尽可能地提升带宽，保证高分辨率图像的高帧率传输。各类不同协议的数据接口也随之诞生，从最早的GigE Vision，到后来的Camera link、USB 3 Vision，以及时下火热的CoaXPress等。

目前的高带宽接口Camera link和CoaXPress均有自身的限制，如Camera link线缆较重，传输距离限制只有10m（80-bit更是只有4m），带宽上限不够高；CoaXPress有多种版本（CXP-1/3/6/12），带宽越高则传输距离越短，超高带宽需要采用多条线缆；两种接口都需要搭配昂贵的采集卡和非标准的软件进行取流，相对来说使用难度较高，兼容性较差。因此，高性价比、低复杂度的10GigE也越来越受欢迎。

万兆网相机因其本身具备高带宽以及长距离传输、低架设复杂度、低成本等多种优势，通过更换网卡网线便可由千兆网环境进行升级，操作十分便捷。本篇文章罗列了万兆网接口与其他主流接口相比的优劣，并阐述了万兆网的基本概念及其技术特点。 

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主流接口的对比

在工业相机领域中，GigE凭借着100m（无中继，典型电口）的远传输距离和1Gbps带宽、PoE供电等优势，成为性价比最高的接口，并连续多年市场占有率达到65%以上，是目前最主流的接口之一。自2002年IEEE通过了802.3ae，便出现了带宽为10Gbit/s的以太网，称之为万兆以太网。

图1-1 各数据接口在不同年份的市场份额

相较于Camera link、CoaXPress等高带宽协议来说，万兆网同样具备无可比拟的优势。Camera link接口本身的带宽高于GigE，然而顶配模式80-bit带宽也仅为6.8Gbps，且由于线缆较粗，重量较大，长度上限10m，在远距离传输场景中较为受限。CoaXPress能够具备更高的带宽，最新版本的CXP-12单条线缆能够提供12Gbps的传输速度，但相应的传输距离也在30m左右，是兼具高速率和长距离的“优等生”[1]。

图1-2 不同数据接口之间的带宽和传输距离

然而，Camera link和CoaXPress的采集卡和线缆的价格相较万兆网卡和网线来说，都更高；此外，Camera link相机由于其取流需要通过采集卡的SDK，而市面上的采集卡种类较多，相应SDK也不同。如果普通相机图像采集软件集成所有采集卡的SDK，则会造成软件安装包体积过大。因此，大部分标准相机取流软件都无法直接兼容Camera link相机，需要与采集卡相匹配的软件进行取流。例如，当前版本的MVS（V3.3.0）无法直接取流Camera link接口相机（通过加载采集卡厂商提供的CTI文件才可以取流），只能进行参数设置等。

与之相比，万兆网相机的优势则在于更远的传输距离、更便捷的安装、更低的成本、更高（较Camera link）的带宽以及兼容性更好的协议，是超高性价比的高带宽接口。在一些需要高分辨率、高帧率、远距离的场景应用中，万兆网相机则是性价比极佳的选择。

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万兆网的基本概念

2.1网络的简要传输原理

网络传输是需要基于各种协议的，而互联网的五层模型当中的每一层都定义了很多协议，这些协议的总称，称之为“互联网协议”，是互联网的核心内容。

遵照以太网的协议要求，图像数据是以数据包的形式进行传输，也称为帧（frame）。每一帧均分为两个部分：标头（Head）和数据（Data）。其中，标头包含数据包的一些说明项，比如发送者，接受者，数据类型等；数据则是数据包的具体内容。

图2-1 帧的组成

2.2电口和光口

万兆网分为电口和光口两种形态，分别具备不同的优势和限制，如电口的连接与使用更为简易，普及度更高；而光口则需要配合光纤/光缆使用，才可以进行超远距离传输。

■ 电口

电缆中会将数据包转化成电脉冲的形式进行传输，其内部的电压是在高低状态之间进行变化的。如二进制中的1通过是正电压来传输，0则是通过产生一个负电压来进行传输。如此数字化服务可比传统的模拟服务提供更高的可靠性。

图2-2 电口示意图

网络电缆的内部线路之间存在电流，并且会产生干扰。在网络信号传输的过程中，线缆本身电阻的影响传输距离的主要因素。理论上，网络信号传输在100米后会出现明显的衰减。此外，限制传输距离的目的也是为了减少外界对网线的干扰，影响网络的传输稳定性。

■ 光口

光纤接口是以光作为信息的承载介质，使用光纤线缆，原理是利用光从光密介质进入光疏介质从而发生了全反射，接口通常有SC、ST、FC、LC等几种类型。不同的光纤模块可以提供不同的传输速率和传输距离上限。

图2-3 光口示意图[1]

就目前来说，光口的传输速率在不断提高，从早期的100Mbps到后来的1.25Gbps、10Gbps、40Gbps，到现在最高的100Gbps；最远的传输距离范围也提升至1-120km左右，是超远距离和超高速率传输的优秀代表[6]。

目前，机器视觉行业中不断涌出光口产品，海康机器人同样也有相关的产品布局计划，相信在不久的将来，随着光纤网络技术的成熟和稳定，光口产品会逐渐普及。

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万兆网的技术特点

3.1高传输效率

GigE Vision定义了主机如何发现、控制千兆以太网相机以及从一个或多个GigE相机采集图像。GigE Vision是万兆网的基础协议，是由AIA制定的通信协议，可在机器视觉领域通过以太网接口实现图像数据的高速传输。

同时，GigE Vision标准是基于UDP协议，与普通网络协议最大的不同点在于应用层协议。GigE Vision的应用层协议采用GVCP（控制协议）来对相机进行配置；采用GVSP（流传输协议）来实现数据流的传输[3]。

因此，为保证传输效率，各类图像采集软件（如MVS）的实现就是基于这两种协议。其主要由四部分构成：

■ 基于UDP协议的GigE Vision控制协议：

其定义了如何对相机进行控制和组态。规定了相机和PC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：

其定义了传输的数据类型，确定了通过GigE传输图像的方式；

图3-1 PAUSE帧流控机制

■ 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。

图3-2 GenICam标准运作原理[1]

3.2高传输稳定性

GigE Vision会通过GVCP和GVSP两种协议来规避传输风险。此外，GigE Vision还具备心跳包侦测，以及前面提到过的流控协议、丢包重传等数据保护机制，能够全方位地规避网络丢包问题，保证传输的稳定性，同时进一步提升了万兆网方案的易用性。

3.3精准时钟协议

在机器视觉的应用场景中，许多情况下都会需要应用多台相机同时进行抓拍，如大型同步场景等。一般来说，只能通过硬触发给多个相机信号进行同步抓拍，或者通过客户端软件进行软触发。

然而硬件方案一般来说都具备较高的布线复杂度，还需要借助其他设备给予信号，但存在微妙级的信号延时（上升沿为几微秒，下降沿则为数十微秒），对于同步性要求极高的应用不适用；普通软件触发方案理论上是基于NTP（网络时间协议）对多台相机按顺序进行触发，信号延时可达毫秒级别（LAN上小于1毫秒，WAN上几十毫秒），同步性较硬件方案更差。

基于网络协议的IEEE1588的精准时钟协议（即PTP）的开发，则确保了多相机联网的可行性，高同步性的多相机方案得以实现。

PTP（Precision Time Protocol，精确时钟协议）是一种时间同步的协议，用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步（也可被借用于相机等设备之间的拍摄频率同步）。PTP可以以纯软件的方式实现，也可以用能够提供更精确的时间同步的专门的硬件实现[7]。

图3-3 PTP架设示意图

海康机器人以太网接口工业相机均支持PTP功能，且MVS客户端、SDK均可提供PTP服务，通过给予同网段内的多台网口相机软触发信号，来实现多相机的同步拍摄应用。