چگونه یک رابط دوربین بینایی ماشین را انتخاب کنیم؟

انتخاب رابط دوربین بینایی ماشین

این مقاله به بررسی مزایا و معایب هر نوع رابط دوربین بینایی ماشین می‌پردازد تا بتوانید رابط مناسب برای کاربرد خود را انتخاب کنید. لازم به ذکر است که شرکت هایک ربات دوربین‌های بینایی ماشین USB3.0، GigE، 10GigE، CoxPress و Camera Link عرضه می‌کند و این مقاله عمدتاً بر روی این رابط‌های صنعتی تمرکز خواهد داشت. با این حال، در جدول زیر رابط‌های دیگر نیز برای ارائه یک نمای کلی از رابط‌های دوربین بینایی ماشین صنعتی گنجانده شده است.

	USB2	USB3	FireWire	GigE	CameraLink	Coaxpress	5GigE	10GigE
Bandwidth (Megabyte/s)	40	400	80	100	Base = 250 mediume=250 full = 250	1 lane = 750 2 lanes = 1500 3 lanes = 2250 4 lanes = 3000	400	80
5MP camera (Max framerate)	8fps	80fps	16fps	25fps	150fps	600fps	100fps	200fps
Cable length (maximum)	5m	4.6m	10m	100m	7m	100m	100m	100m
Power + data on one cable	Yes	Yes	Yes	Only if PoE	PoCL	Yes	Only if PoE	Only if PoE
Frame-grabber mandatory	No	No	Yes	No	Yes	Yes	No	Yes
Cable costs	Low	Low	Medium	Low	High	Low	Low	Low
Camera costs	Very low	Low	Low	Low	High	High	Medium	High
CPU usage	Medium	Low	Low	Medium	Low	Low	Medium	Medium
Customer acceptance	Declining	Good	End of Life	Good	Declining	Growing	Growing	Growing
Multiple cameras	Fair	Excellent	Excellent	Good	Fair	Excellent	Excellent	Excellent

پهنای باند در رابط دوربین بینایی ماشین

پهنای باند

پهنای باند به میزان داده‌ای گفته می‌شود که می‌تواند در یک بازه زمانی مشخص از طریق یک اتصال بین کامپیوترها ارسال شود. در حوزه بینایی ماشین، این به مقدار داده تصویری که می‌تواند از دوربین بینایی ماشین به یک کنترل‌کننده میزبان ارسال شود، مربوط می‌شود. پهنای باند بر حسب مگابایت بر ثانیه اندازه‌گیری می‌شود. به عنوان مثال، یک دوربین بینایی ماشین USB2.0 می‌تواند معادل 40 مگابایت داده را در هر ثانیه ارسال کند، در حالی که یک دوربین USB3.0 می‌تواند تا 400 مگابایت بر ثانیه ارسال کند.

عوامل موثر بر سرعت انتقال داده

اگرچه پهنای باند حداکثری دوربین یکی از عوامل مهم در تعیین سرعت انتقال داده است، اما تنها عامل تعیین‌کننده نیست. عوامل دیگری مانند تاخیر (Latency)، نوسانات (Jitter) و افت بسته (Packet Loss) نیز بر روی سرعت انتقال داده تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، کیفیت کابل نیز می‌تواند بر پهنای باند قابل استفاده تأثیر بگذارد. در ادامه به بررسی عوامل موثر بر پهنای باند می‌پردازیم :

تاخیر (Latency) : تاخیر به زمانی گفته می‌شود که برای انتقال داده از دوربین به کامپیوتر صرف می‌شود. تاخیر پایین برای کاربردهای بلادرنگ بسیار مهم است.
نوسانات (Jitter) : نوسانات به تغییرات در زمان رسیدن بسته‌های داده اشاره دارد. نوسانات بالا می‌تواند جریان داده را مختل کرده و بر کیفیت تصویر تأثیر بگذارد.
افت بسته (Packet Loss) : افت بسته به از دست رفتن بسته‌های داده گفته می‌شود که می‌تواند کیفیت تصویر و عملکرد سیستم را کاهش دهد.
کیفیت کابل : کیفیت کابل می‌تواند بر سرعت و قابلیت اطمینان انتقال داده تأثیر بگذارد.
پردازشگر میزبان : توانایی پردازنده میزبان در پردازش داده‌های دریافتی نیز مهم است.
نرم‌افزار پردازش تصویر : کارایی نرم‌افزار پردازش تصویر در پردازش تصاویر دریافتی می‌تواند بر عملکرد کلی سیستم تأثیر بگذارد.

محاسبه پهنای باند مورد نیاز

برای تعیین پهنای باند مورد نیاز، می‌توان از فرمول زیر استفاده کرد:

پهنای باند مورد نیاز (مگابیت بر ثانیه) = رزولوشن تصویر (پیکسل) * نرخ فریم * عمق بیت / 8

به عنوان مثال، برای یک دوربین 2 مگاپیکسلی با نرخ فریم 30 و عمق بیت 24، پهنای باند مورد نیاز برابر با 186.62 مگابیت بر ثانیه خواهد بود.

پهنای باند ماکزیمم رابط دوربین بینایی ماشین شما تنها یکی از چندین عامل تاثیرگذار بر نرخ انتقال داده نهایی است که منجر به کاهش تعداد تصاویر در ثانیه می‌شود. پهنای باند مورد نیاز بسیار به کاربرد سیستم بینایی ماشین و محدودیت‌های شما بستگی دارد. به عنوان مثالی دیگر برای انتخاب رابط کاربری، می‌توان گفت که اگر یک دوربین 2 مگاپیکسلی دارید، هر تصویر 2 مگابایت است. اگر نیازمندی شما 10 تصویر در ثانیه را مشخص می‌کند، پهنای باند مورد نیاز x10=202 مگابایت در ثانیه است. هر رابط دوربین بینایی ماشین می‌تواند این پهنای باند را پوشش دهد. با این حال، اگر نیازمندی 100 تصویر در ثانیه باشد، به پهنای باند x100=2002 مگابایت در ثانیه نیاز دارید و تنها رابط‌های دوربین بینایی ماشین CameraLink، CoaXpress، USB3.0، 5GigE و 10GigE باقی می‌مانند.

انتخاب رابط دوربین بینایی ماشین به نیازهای کاربرد شما بستگی دارد:

کاربردهای با پهنای باند کم : 0 یا GigE ممکن است کافی باشد.
کاربردهای با پهنای باند متوسط تا بالا : 0 یا 5GigE گزینه‌های مناسبی هستند.
کاربردهای با سرعت و رزولوشن بالا : 10GigE یا Camera Link ممکن است لازم باشد.

حداکثر طول کابل برای رابط دوربین بینایی ماشین

دومین نقطه بحث، حداکثر طول کابل رابط دوربین بینایی ماشین است. این حداکثر طول کابل نشان می دهد که با چه طول کابلی می توان همچنان با حداکثر پهنای باند کار کرد. به عنوان مثال، کابل های USB3.0 تا 25 متر وجود دارند، اما این عدد به طور قابل توجهی از کابل های USB3.0 مخصوص بینایی ماشین که 4.6 متر هستند، بیشتر است و منجر به از دست رفتن بخش بزرگی از پهنای باند می شود. کابل کشی بسته به میزان انعطاف پذیری مورد نظر شما متفاوت است و همچنین بر میزان پهنای باندی که می خواهید انتقال دهید تأثیر می گذارد.

هنگامی که دوربین بینایی ماشین روی یک پلتفرم متحرک نصب می شود، به کابل های بسیار انعطاف پذیر نیاز است. این کابل های بسیار انعطاف پذیر قادرند چندین بار در ثانیه، هر روز و برای چندین سال خم شوند. کابل های GigE Highflex ارزان ترین کابل های بسیار انعطاف پذیر برای بینایی ماشین هستند.

نکات کلیدی:

حداکثر طول کابل تأثیر مستقیم بر پهنای باند دارد.
کابل های USB برای فواصل کوتاه مناسب تر هستند، در حالی که کابل های GigE برای فواصل طولانی تر مناسب ترند.
کابل های بسیار انعطاف پذیر برای دوربین های متحرک ضروری هستند.
قیمت کابل ها بسته به نوع و کیفیت متفاوت است.

آیا برای دوربین‌های بینایی ماشین USB2.0، USB3.0 و GigE به فریم‌گربر نیاز است؟

برای رابط‌های USB2.0، USB3.0، GigE و 5GigE، دوربین‌ها به فریم‌گربر نیازی ندارند. فقط برای رابط‌های بینایی ماشین مانند 10GigE، Camera Link، Firewire B و Coaxpress به فریم‌گربر نیاز است. با این حال، باید توجه داشت که تعریف “فریم‌گربر” گسترده است و قابل تفسیر است. اگر یک کامپیوتر پورت‌های USB 3.0 یا GigE کافی نداشته باشد، ما یک کارت رابط برای افزایش تعداد پورت‌های USB 3.0 یا GigE کامپیوتر داریم. این کارت رابط نیز گاهی اوقات فریم‌گربر نامیده می‌شود. تمام کارت‌های رابط/فریم‌گربرهای ارائه شده توسط ما با دوربین‌های بینایی ماشین ما آزمایش شده‌اند تا بتوانند با حداکثر پهنای باند کار کنند.

قیمت یک دوربین بینایی ماشین چقدر است؟

در مورد پنج نوع رابط دوربین بینایی ماشین که ما ارائه می‌دهیم، 10GigE گران‌ترین و USB2.0 ارزان‌ترین رابط دوربین بینایی ماشین است. هر پنج مورد هنوز ارزان‌تر از دوربین‌های Camera Link و Coaxpress هستند. ما معتقدیم که با رابط‌های USB3.0 و GigE می‌توانیم اکثر کاربردهای اصلی بینایی ماشین را پوشش دهیم.

بار پردازنده دوربین بینایی ماشین چقدر است؟

هر رابط دوربین بینایی ماشین از قدرت پردازنده برای انتقال تصاویر از رابط به حافظه پردازنده استفاده می‌کند. مقدار قدرت پردازنده مورد نیاز به عنوان بار پردازنده تعریف می‌شود. USB3.0 بار پردازنده “پایینی” روی کنترل کننده میزبان دارد، در حالی که USB2.0 و GigE بار پردازنده “متوسطی” دارند.USB3.0 بار پردازنده پایینی دارد زیرا از پروتکل کاملا متفاوتی نسبت به USB2 و GigE استفاده می‌کند و این پروتکل به منابع کمتری نیاز دارد.

رابط دوربین بینایی ماشین USB3.0، GigE، 5GigEو 10GigE از رابط داده Unicast Dual-Simplex استفاده می‌کنند، این رابط اجازه انتقال داده در هر دو جهت را می‌دهد. این کار جایی که یک رویه هدایت شده توسط میزبان بسته‌های مسیر و اطلاعیه‌ها را به طور صریح به صورت همزمان ارسال می‌کند، کار می‌کند. این اجازه می‌دهد تا دوربین بینایی ماشین زمانی که آماده انتقال داده است، پیامی به کنترل کننده میزبان ارسال کند. این مکانیسم جدیدتر نسبت به مکانیسم نظرسنجی در USB2.0 بار سیستم و پردازنده را کاهش می‌دهد. برای روشن شدن، رابط دوربین بینایی ماشین USB2.0 از انتقال داده یک طرفه استفاده می‌کند که منجر به انباشت داده‌های بیشتر (بسته‌های تصویر) روی کارت رابط و کار بیشتر روی پردازنده می‌شود.

یک دوربین بینایی ماشین 5GigE نیز از بار پردازنده اضافی استفاده می‌کند. دوربین 5GigE تصاویر را با فشرده‌سازی بدون از دست دادن داده از طریق رابط اترنت 1000 مگابیت به کامپیوتر ارسال می‌کند. کامپیوتر باید تصاویر را از حالت فشرده خارج کند که منجر به بار پردازنده اضافی می‌شود.

به طور خلاصه، USB 3.0 کمترین استفاده از پردازنده را دارد، GigE و 10GigE کمی بیشتر از USB3.0 از پردازنده استفاده می‌کنند. 5GigE و USB2.0 بیشترین استفاده از پردازنده را دارند.

این نمودار به شما کمک می‌کند تا مراحل مختلف چرخه عمر هر رابط (معرفی، رشد، بلوغ، افول) را به صورت بصری درک کنید.

نکته : محصولات 10GigE و N-BASE-T (5 گیگابیت اترنت – 5GigE) هر دو در دوربین بینایی ماشین برای تصویربرداری با سرعت بالا با استفاده می‌شود که از کابل‌های اترنت Cat6e تجاری با دوربین‌های GigE معمولی ، مناسب هستند. 10 گیگابیت اترنت ویژن حدود 10 برابر پهنای باند دوربین‌های استاندارد گیگابیت اترنت ویژن را دارد اما به یک کارت شبکه 10 گیگابیت اترنت نیاز دارد.

رشد : یکی از رابط‌هایی که در مرحله رشد قرار دارد، Coaxpress است. این رابط شبیه به 10GigE و N-BASE-T است زیرا برای تصویربرداری با سرعت بالا مناسب است. نقطه ضعف این رابط این است که به یک فریم‌گربر اجباری نیاز دارد و هم فریم‌گربر و هم دوربین Coaxpress نسبتا گران هستند.

بلوغ :در مرحله بلوغ، دو رابط بینایی ماشین که هایکروبات می‌فروشد، GigE و0 هستند. استاندارد USB3.0 ویژن در سال 2011 و استاندارد گیگابیت اترنت ویژن در سال 2006 توسط انجمن تصویربرداری خودکار تاسیس شد. ما معتقدیم که هر دو این رابط‌های بینایی ماشین به اوج بلوغ خود رسیده‌اند و تقاضا در حال حاضر در بالاترین سطح خود است. انتظار داریم که GigE حداقل 5 سال دیگر در مرحله بلوغ باقی بماند و USB3.0 حتی طولانی‌تر.

افول : دو رابط آخر بینایی ماشین، 0 و Camera Link در مرحله افول هستند. به دلیل جایگزین‌های بهتر (USB3.0 به جای USB2.0 و Coaxpress به جای Cameralink) تقاضا در حال کاهش است و در سال‌های آینده نیز کاهش خواهد یافت. USB2.0 پهنای باند بسیار محدودی دارد و پروتکل آن چندان قوی نیست و آن را برای طیف کوچکی از کاربردها مناسب می‌کند. با این حال، زمانی که کاربرد بینایی ماشین دارای نیازهای بسیار کمی باشد، USB2.0 بهترین انتخاب از نظر هزینه است. Camera Link پهنای باند خوبی دارد، اما در مقایسه با Coaxpress، USB3.0 و 10GigE و N-BASE-T از نظر پهنای باند گزینه گران‌تری است. دوربین‌های بینایی ماشین Camera Link نیز گران هستند و کابل‌های گران قیمتی دارند.

دوربین‌های چندگانه بینایی ماشین

هنگام نصب چندین دوربین بینایی ماشین روی یک کنترل کننده میزبان، نظارت بر استفاده از پهنای باند شما مهم است. استفاده از این نوع تنظیمات معمولاً به یک کارت رابط با ورودی‌های متعدد نیاز دارد. ما در این مقاله فقط تنظیمات دوربین‌های چندگانه بینایی ماشین برایUSB3.0 و GigE را پوشش خواهیم داد.

دوربین‌های چندگانه بینایی ماشین USB3.0

با شروع از USB3.0، این رابط بینایی ماشین سازگاری عالی برای یک سیستم دوربین چندگانه بینایی ماشین دارد. شما می‌توانید از یک شبکه ستاره‌ای یا یک شبکه نقطه به نقطه برای USB3.0 استفاده کنید. هنگام استفاده از یک شبکه ستاره‌ای، چندین دوربین بینایی ماشین به یک هاب USB3.0 متصل می‌شوند. پهنای باند USB3.0 بین دوربین‌های بینایی ماشین USB3.0 متصل تقسیم می‌شود. این به این دلیل است که همه دوربین‌های بینایی ماشین USB3.0 جداگانه از پهنای باند منفرد میزبان متصل به هاب USB3.0 مصرف می‌کنند.

گزینه دوم، یک شبکه نقطه به نقطه USB3.0، هر دوربین بینایی ماشین USB3.0 را مستقیماً به کنترل کننده میزبان USB3.0 متصل خواهید کرد. کارت رابط USB 3.0 می‌تواند تا چهار ورودی کنترل کننده میزبان USB3.0 داشته باشد که امکان اتصال چهار دوربین بینایی ماشین USB3.0 به یک کارت رابط را فراهم می‌کند. هر دوربین بینایی ماشین USB3.0 اکنون می‌تواند از پهنای باند کامل پروتکل USB3.0 استفاده کند.

دوربین‌های چندگانه بینایی ماشین GigE

دوربین‌های بینایی ماشین GigE، 5GigE و 10GigE نیز گزینه خوبی برای یک سیستم دوربین چندگانه بینایی ماشین هستند. با انعطاف‌پذیری بالا و کابل‌کشی ارزان قیمت، برای نظارت بر تسمه نقاله و تجزیه و تحلیل ورزش و حرکت با دوربین‌های چندگانه بینایی ماشین ایده‌آل است. اصل کار مانند دوربین‌های USB3.0 است. شما می‌توانید هم از یک شبکه ستاره‌ای با استفاده از سوئیچ اترنت و هم از یک شبکه نقطه به نقطه با استفاده از یک کارت رابط با ورودی‌های چندگانه GigE استفاده کنید.