千兆网相机知识

1、千兆网相机基础以及Basler千兆 网相机简介 北京三宝兴业（微视凌志）视觉技术有限公司 技术工程师 石闻天 各类数字相机数据传输方式对比：各类数字相机数据传输方式对比： uLVDS(RS644) ：20米，两根线/bit u1394：10米，数据量小，6芯，高速 uCamera Link：1020米，串行方式，高速 uUSB： 10米，数据量小 uGige: 100米，数据量小 千兆网对比其他数据传输方式的优势：千兆网对比其他数据传输方式的优势： l 传输距离长，无中继可达100米，每加一个中继可继续延伸 100米 l 数据传输比较稳定，数据包丢失会有重新发送机制 l 支持POE给相机供电，

2、在长距离传输数据可解决电源线压降 问题 l 不需要图像采集卡，只需要计算机有千兆网口即可使用 l 通过交换机可以支持多播功能，多台计算机可同时收到相 机数据 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 其他子 网 子网 路由器交换机 主机主机主机主机 IP 数据包 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 Other subnets Subnet RouterSwitch HostHostHostHost IP Data Packet 主机-即用于连接到网络的设备。 可以是插有 网卡的计算机、GigE相机等 每一个主机必须在网络上有唯一的IP地址 主机不再转发数据包，所有不属于主机IP地址 的数

3、据都将被丢弃。 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 网络中的所有IP数据包都包含一个源IP地址和一 个目的IP地址 IP 数据 目的源 IP 报头 192.168.0.2192.168.0.1Payload Other subnets Subnet RouterSwitch HostHostHostHost IP Data Packet 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 交换机用于连接多个主机，形成一个局域网 (LAN) 各主机通过定义子网掩码配置到同一子网，以 连接到同一交换机 Other subnets Subnet RouterSwitch HostHostHostHost

4、 IP Data Packet 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 路由器用于连接多个子网 路由器根据目的IP地址和内部路由表，将数据 包传输到正确的子网 Other subnets Subnet RouterSwitch HostHostHostHost IP Data Packet 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 网络传输数据的方式有以下两种： 单播Unicast：一个设备直接将数据传输到 通过IP地址识别的另一设备 这是最常用的数据传输方式 对点传送Multicast：一个设备将数据传输到 属于同一多点传送IP地址的一组设备上 Other subnets Subnet R

5、outerSwitch HostHostHostHost IP Data Packet 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 其他子 网 子网 路由器交换机 主机主机主机主机 IP 数据包 Unicast 单播 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 IP地址和子网掩码 IPv4地址长32位，格式为“w.x.y.z”，每个数在0-255之间 IP地址由以下两部分组成： 地址前缀决定可能产生有多种中不同网络 主机ID决定有多少个不同设备可以连接到同一网络 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 IP地址和子网掩码 单播：共有3个预设IP地址类型： Class C 是小型网络中最常见的，例

6、如192. 168. 1. 1 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 左图中， 网卡的IP地址=192.168.1.1 子网掩码 =255.255.255.0 在IP地址和子网掩码间的二进制与操 作中，我们得到子网=192.168. 1. 0 所有直接或通过交换机连接到该网卡上的 主机必须设置成同一子网。 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 其他子 网 Subnet = 192.168.1.0 RouterSwitch IP = 192.168.1.4 Subnet mask = 255.255.255.0 IP = 192.168.1.3

7、Subnet mask = 255.255.255.0 IP = 192.168.1.2 Subnet mask = 255.255.255.0 IP = 192.168.1.1 Subnet mask = 255.255.255.0 注意: 您在设置时，不可以使用0和255做主机ID, 这两个数为特殊保留数，例如 192.168.1.0， 192. 168. 1.255 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 IP地址 1. 静态/稳定/持久 用户设置IP地址后，主机可以一直使用同一IP地址 2. 动态主机设置协议（DHCP） 网络中的DHCP服务器可为连接的主机动态分配IP地址 3. A

8、uto-IP (Default) 自动IP(默认) 如果没有静态/动态IP，则默认IP有效。例如Windows操作系统的默认IP是 169.254.X.X 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 IP数据包 IP层在将应用数据（e.g. 图像）分片成较小的数据包再通过网络层传输。 通常，在以太网（Ethernet）环境中可传输IP数据包最大（MTU）为1500字节 通常，数据包越大，IP数据包数量越少，CPU中断越少，从而降低CPU负 载 GVSP IP Packet of 1500 bytes 1500 36 = 1464 Bytes 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 互联网协议（

9、互联网协议（IP）原理）原理 在网络在传输到网络前，每图像帧都会被分成一个IP数据包 例如：100万像素的图片被分成677个IP数据包，每数据包1500字节 防火墙，防病毒程序，虚拟专用网络(VPN) 以上程序可能影响GigE Vision 协议的使用 强烈建议您在使用GigE Vision 驱动/应用程序前，关闭以上程序或作相关设置。 互联网协议（互联网协议（IP）原理）原理 GigE相机系统设计指南 GigE Vision 硬件 千兆网卡(NICs) 千兆网交换机 LAN 数据线 GigE相机系统设计指南 千兆网卡（NICs） 建议使用基于Intel 1000 芯片组的千兆网(GigE)卡

10、 基于Intel芯片组开发的GigE 驱动，使CPU负载更低，并有更强大的数据包重发机 制 建议使用PCIE总线网卡 GigE相机系统设计指南 千兆网卡(NICs) 常用网卡 Intel Pro 1000 GT 单端口 82541PI 芯片组 / Jumbo Frame / PCI Intel Pro 1000 GT 双端口 82571GB 芯片组 / Jumbo Frame / PCIe4x 带PoE功能 Adlink Intel Pro 1000 双端口 GigE相机系统设计指南 千兆网卡（NICs） 经过测试网卡（NICs） 注意：最后825xxAB的最后两个字母代表 第几代芯片组 同一

11、代产品通常带有相同的功能 GigE相机系统设计指南 千兆网卡(NICs) 问题网卡（NICs） 通常是Realtek 和 Broadcom 芯片组 避免使用非高速以太网卡（NICs） 100Mbit/s = 12.5MB/s 对于GigE相机输出而言速度过低 例如，如果相机是500万像素，相对于17fps而言，其输出速度仅为2fps GigE相机系统设计指南 千兆网交换机 在挑选GigE交换机时，需要考虑以下几点： 检查交换机支持的是GigE（千兆网），不是100Mbit/s 支持巨型帧 （Jumbo Frame） 低传输延迟 以太网供电（PoE）（如果相机支持） 高速内部缓冲存储器 若使用多

12、点传送，须支持IGMP. 最好使用支持IGMP/VLAN/等的管理型交换机 GigE相机系统设计指南 千兆网交换机 常用品牌 Netgear 3COM GigE相机系统设计指南 LAN连接线 建议使用高品质屏蔽线 使用至少CAT5e 及以上标准的线 （建议使用CAT6) 以下为可用的不同类型的线： 高柔电缆，弯折次数可高达100万 防松螺母RJ45接头，确保线与相机/卡连接牢靠 可以满足长达100米千兆网传输电缆 GigE相机系统设计指南 GigE Vision 相机的带宽计算 如何决定相机的数据带宽输出？ 举例： 假设我们使用500万像素的Basler Ace acA2500-14gc 这款

13、相机，每帧=2590 x 1942 像素（pixels） 在Bayer8彩色模式下，每像素占8bits=1byte 数据 所以，每帧= 2590 x 1942 x 1byte = 5,029,780 bytes 在14fps的速度下，总带宽输出= = 5,029,780 x 14 = 71MB/s GigE相机系统设计指南 GigE Vision 相机的带宽计算 在GigE Vision中，通常千兆网总带宽的10%预留用于发送命令和重发数据包。 这一操作共需带宽约12.5MB/s 这个值可由用户做调整 GigE相机系统设计指南 IP数据包的传输 在GigE网络中，传输IP数据包1byte需要1

14、 tick = 8ns 例如，使用Basler 500万像素的 Ace acA2500-14gc，每帧为5,029,780 bytes 如果所用的数据包大小为1500bytes，每帧将有约3354个IP数据包 为每个IP数据包传输1500bytes 的GVSP的图像数据约耗时8ns x 1500= 12us 每帧的总传输时间约为 12us x 3354 = 40.25ms (FYI: IEEE1394b 传输 8192bytes/数据包速度为125us - 理论上， 则 5MP/8192 x 125us = 76ms） GVSP IP Packet of 1500 bytes 1500 36

15、= 1464 Bytes GigE相机系统设计指南 #1 : 一个相机对应一个千兆网口 每个千兆网口被认为是一个独立的网卡(NIC) 不同的IP 子网须分配给每台相机/网卡进行 匹配 每台相机获得125MB/S的千兆网全带宽 可连接相机数量受限于PCIe 插槽和千兆网口 的数量 GigE相机系统设计指南 #1 : 一个相机对应一个千兆网口 IP = 192.168.1.2 Subnet mask = 255.255.255.0 Subnet = 192.168.1.0 IP = 192.168.1.1 Subnet mask = 255.255.255.0 Subnet = 192.168.1

16、.0 IP = 192.168.3.2 Subnet mask = 255.255.255.0 Subnet = 192.168.3.0 IP = 192.168.3.1 Subnet mask = 255.255.255.0 Subnet = 192.168.3.0 GigE相机系统设计指南 #1 : 一个相机对应一个千兆网口 当您更注重性能时 当您使用的是高分辨率，高帧速相机时 当您使用的是5MP相机，速度17fps时，为达 到全性能，您必须采用这种方法连接相机 例如，高速AOI设备 注重以上因素时，请使用这种连接方式 GigE相机系统设计指南 #2： 多个相机共用一个千兆网交换机，最后连

17、接到一个千兆网口 借助千兆网交换机，您可以随意增加应用中 所支持的相机数量 所有相机/网卡必须在同一IP子网下。 所有相机共享125MB/S千兆网带宽为 例如，共有3台相机，每台相机的带宽= 125 / 3 = 42MB/s GigE相机系统设计指南 #2： 多个相机共用一个千兆网交换机，最后连接到一个千兆网口 IP = 192.168.1.2 Subnet mask = 255.255.255.0 Subnet = 192.168.1.0 IP = 192.168.1.3 Subnet mask = 255.255.255.0 Subnet = 192.168.1.0 IP = 192.16

18、8.1.1 Subnet mask = 255.255.255.0 Subnet = 192.168.1.0 IP = 192.168.1.4 Subnet mask = 255.255.255.0 Subnet = 192.168.1.0 GigE相机系统设计指南 #2： 多个相机共用一个千兆网交换机，最后连接到一个千兆网端口 当您更注重可扩性时 当您使用了低带宽相机，计算机采用低端配 置时 建议使用这种配置 通过使用交换机，可将您的有效传输距离扩 展到100米以上 由于交换机性能对系统性能影响很大，建议 您使用支持巨型帧的千兆网交换机 GigE相机系统设计指南 #2： 多个相机共用一个千兆

19、网交换机，最后连接到一个千兆网端口 例如：交通红灯快照使用每分钟触发一次的 500万像素相机 例如：web检测中使用多个大视野范围(FOV) 的线阵相机 GigE相机系统设计指南 混合匹配-GigEVision 的灵活性 Managed GigE switch VLAN #1 VLAN #2 GigE相机系统设计指南 GigE Vision软件 GigE Vision 性能 + 过滤器驱动 第三方GigE Vision驱动 GigE相机系统设计指南 GigE Vision 性能 + 过滤器驱动 通常对于GigE Vision 都有两种类型的驱动 性能驱动仅与Intel芯片组相匹配 过滤器驱动则

20、适用于大多数网卡 Basler Performance Driver (Adapter Miniport) IP Stack Kernel Mode User Mode Hardware GigE Vision Library GenCam TL GVCPGVSP NDIS Data Stream Socket Library WDM Interface Adapter (pynwagnt) Performance Drive on Intel Pro GigE相机系统设计指南 GigE Vision 性能 + 过滤器驱动 GigE相机系统设计指南 第三方GigE Vision驱动 许多图像处

21、理公司都开发了自己的GigE Vision 驱动，以配合相机工作。 您可以通过使用它们的软件直接从GigE Vision相机上采集图像 SW ProductVendorSupported MIL-lite & MILMatroxFull supported Labview National Instruments Full supported Vision ProCognexFull supported HALCONMVTecVia camera DLL SW Driver and Lib GigE相机系统设计指南 Basler Pylon 我们为所有GigE Vision 相机提供完整的驱动

22、和SDK（软件工具开发包）支持 SW Lib 软件库软件库 Vendor 供应商供应商 MILMatrox eVisionEuresys HALCONMVTec OpenCVOpen-source SW LibPylon GigE相机系统设计指南 Basler Pylon 我们为所有GigE Vision 相机提供完整的驱动和SDK（软件工具开发包）支持 SW Lib 软件库软件库 Vendor 供应商供应商 MILMatrox eVisionEuresys HALCONMVTec OpenCVOpen-source SW LibPylon GigE相机系统设计指南 GigEGigE传输层参数

23、传输层参数 数据包大小 巨型帧 包间延迟 帧传输延迟 GigEGigE传输层传输层参数参数 数据包大小 决定GigE Vision 相机发出的每个IP数据包的字节数 1500 bytes 是以太网默认的安全值 GigEGigE传输层传输层参数参数 GigEGigE传输层传输层参数参数 巨型帧=超过1500bytes有效载荷的以太网帧 如果网络上的所有设备支持该功能，将其设置成巨型帧（通常为 9000 bytes） 某些网卡支持更大的巨型帧，最大可达16000 bytes GigEGigE传输层传输层参数参数 GigEGigE传输层传输层参数参数 关于巨型帧（Jumbo Frame）的思考 并非

24、越大越好！受计算机/硬件处理性能限制， 拆分和丢弃的数据包可能造成过渡重发。 网络上的所有设备必须都支持巨型帧，否则数 据包就会被拆分或丢弃，尤其是对于UDP (用户数 据报协议) 若交换机不支持巨型帧，巨型帧将被丢弃 请尝试各种数据包大小： of 3000, 4000, 8000, 9000, 16000 bytes GigEGigE传输层传输层参数参数 包间延迟 (Inter-packet delay) 设置发送连续数据包的时间间隔 包间延迟越小，相机的帧速越大 在不影响帧速的前提下，将延迟设置为最大可能值，可实现带宽使 用最优化 GigEGigE传输层传输层参数参数 帧传输延迟 (Fra

25、me Transmission Delay) 触发开始后，相机开始发送第一个数据包前须设置等待时间 这种方法通常用于多台相机连接到同一交换机时，错开数据包发送 顺序，从而避免所有相机同时传输数据包时，交换机超负荷。 GigEGigE传输层传输层参数参数 帧传输延迟 GigEGigE传输层传输层参数参数 如何调整多相机的参数？ GigEGigE传输层传输层参数参数 假设所使用的相机均为同一型号 1. 将所有相机的数据包设置成相同大小（建议使用巨型帧） 2. 在不降低帧速的前提下，将相机A的包间延迟设为最大可能值 3. 在不降低帧速的前提下，将帧传输延迟增加到最大可能值 通常，从相机芯片读取数据的

26、时间远大于传输IP数据包所用的时间。 因此，我们须要延迟数据传输开始的时间，从而使芯片在数据传输前 读出足够的数据量。 GigEGigE传输层传输层参数参数 4. 其他相机“B”, “C” 和“D”: 包间延迟设置同相机A 须在相机A的帧传输延迟基础上，扣除数据包大小的倍数。 E.g. 如果相机A的帧传输延迟 = 60000 ticks 那么相机B的帧传输延迟 = 60000 - 1 x 9018 = 50982 ticks 那么相机C的帧传输延迟 = 60000 - 2 x 9018 = 41964 ticks 那么相机D的帧传输延迟 = 60000 - 3 x 9018 = 32946 t

27、icks GigEGigE传输层传输层参数参数 #1 每台相机对应一个千兆网口 在该配置下，每台相机均可获得全带宽 无需将不同相机的数据包错开传输 建议 数据包大小 = 巨型帧 包间延迟 = 不降低帧速的最大可能值 帧传输延迟 = 0 GigEGigE传输层传输层参数参数 #2 多台相机连接到同一千兆网交换机，从而连接到同一千兆网口 在该配置下，须错开数据包发送顺序，以避 免交换机超负荷。 建议 数据包大小 = 巨型帧 包间延迟 = 不降低帧速的最大可能值 帧传输延迟 = 请参考之前的示例 GigEGigE传输层传输层参数参数 Switch PC #2PC #1 #3 同一相机通过多点传送连接

28、至多台计算机 在该配置下，相机获得全带宽 建议 数据包大小 = 巨型帧 包间延迟 = 不降低帧速的最大可能值 帧传输延迟 = 0 GigEGigE传输层传输层参数参数 BaslerBasler 千兆网相机介绍千兆网相机介绍 Pilot系列千兆网相机 Scout系列象素千兆网相机 Ace系列象素千兆网相机 BaslerBasler 千兆网相机千兆网相机介绍介绍 Pilot系列性能特点：系列性能特点： 分辨率从VGA到500万象素 高品质的CCD芯片 千兆网接口 可做AOI进一步提高帧速率 可定制90转角相机 BaslerBasler 千兆网相机介绍千兆网相机介绍 Pilot系列系列piA640-

29、 210gm/gc piA1000- 48gm/gc piA1000- 60gm/gc piA1600- 35gm/gc piA1900- 32gm/gc piA2400- 17gm/gc 分辨率648488100410 04 100410 04 160812 08 192810 84 245620 58 感光芯片Kodak KAI-0340 Kodak KAI-1020 Kodak KAI-1020 Kodak KAI-2020 Kodak KAI-2093 Sony ICX625 芯片尺寸1/3”2/3”2/3”1”1”2/3” 像素尺寸7.47.47.47.47.47.47.47.47.

30、47.43.453.4 5 帧速率2104860353217 BaslerBasler 千兆网相机千兆网相机介绍介绍 Scout系列性能特点：系列性能特点： 分辨率从VGA到200万象素 高品质的CCD和CMOS芯片 千兆网接口 可做AOI进一步提高帧速率 千兆网或1394接口 可定制90转角相机 BaslerBasler 千兆网相机千兆网相机介绍介绍 Scout系列系列scA640- 70gm/gc scA640- 74gm/gc scA640- 120gm/gc scA750- 60gm/gc scA780- 54gm/gc scA1000- 30gm/gc 分辨率659494659494

31、659494752480 (CMOS) 782582103477 9 感光芯片Sony ICX424 Sony ICX414 Sony ICX618 Aptina MT9V022 Sony ICX415 Sony ICX204 芯片尺寸1/3”1/2”1/4”1/3”1/2”1/3” 像素尺寸7.47.49.99.95.65.66.06.08.38.34.654.6 5 帧速率7074120605430 BaslerBasler 千兆网相机千兆网相机介绍介绍 Scout系列系列scA1300- 32gm/gc scA1390- 17gm/gc scA1400- 17gm/gc scA1400- 30gm/gc scA1600- 14gm/gc scA1600- 28gm/gc 分辨率659494659494659494752480782582103477 9 感光芯片Sony IC