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高帶寬需求
       電子組件制造商必須持續改善其生產力與質量，才能維持所需的競爭優勢。由于運動控制及機器視覺可提供比傳統方式更可靠、更具彈性的自動檢測能力，因此在持續改善的流程中扮演極為重要的角色。制造商需要提高圖像的輸出質量及更成熟的圖像處理能力，然而從相機傳送數據到計算機的傳輸率，或稱為帶寬，卻經常成為必須先行解決的限制因素。

       過去，標準VGA分辨率及30幅/秒的圖像采樣率，即能滿足絕大多數生產線的需求。然而目前的工業需求中，要求增大掃描的尺寸，例如線條掃描、立體檢測、提高生產線輸送帶速率、較為復雜的圖像處理。然而，帶寬仍是機器視覺系統的主要瓶頸。

       Camera link是一項新標準，專為解決帶寬問題而制定。搭配PCI Express總線，Camera link圖像解決方案可提供超高數據傳輸率，最適合高帶寬需求的機器視覺應用。

       本文將剖析”高帶寬需求”應用與PCI Express、Camera link及FPGA技術如何搭配使用，以提高圖像采集及處理率。

供應需求

       圖1顯示出一般計算機型機器視覺系統的基本組件，其中包含一部工業相機與光源、信號線、圖像采集卡及計算機。Camera link則是專為運用于此類機器視覺系統的工業相機與圖像采集卡所開發的開放式規格。Camera link規格是由AIA協會（Automate Imaging Association）定義，該協會則是由工業用工業相機、信號線、圖像采集卡制造商所組成的產業組織。Camera link采用低電壓差分信號（LVDS）技術傳輸數字數據，并行至序列傳送器及序列至并行接收器則用于傳送圖像數據。

Camera link
       如圖2所示， Camera link標準提供了三種組態：base、Medium與Full信號模式。來自工業相機的圖像數據，通過指定的端口傳送至相對應的圖像采集卡端口。base組態包含一組傳送器/接收器，24 bits的視頻數據分為A、B、C三個8-bit端口，外加FVAL（視頻有效）、LVAL（線路有效）、DVAL（數據有效）及其他備用信號、一個頻率信號、一個序列通道以及四個LVDS一般用途工業相機控制信號。一般而言，工業相機控制信號通常是用于外部觸發，以達到實時圖像采集。在使用20~85 MHz頻率之下，圖像數據傳輸率可高達 Gbps。Medium組態增加第二組傳送器/接收器對，使圖像數據位倍增為48 bits（8-bit端口也倍增為六個：A、B、C、D、E、F）、圖像數據傳輸率倍增為 Gbps。Full組態再次增加圖像數據位為64 bits，使用八個8-bit端口：A、B、C、D、E、F、G、H，提高圖像數據傳輸率為 Gbps。Camera link數據傳輸路徑，請參閱圖3。

       就目前可運用的工業相機接口而言（Analog、USB、FireWire、GigE），Camera link具有下列優點：

       最高帶寬：Camera link透過專用的點對點連結拓樸，串流圖像原始數據的速率可高達 Gbps，且不需受到通訊協議的限制。
       噪聲抑制：Camera link規格的最小低電壓差分信號（LVDS）可提高圖像采集卡、信號線及工業相機之間的圖像總流量。
       實時信號： Camera link不受網絡潛在因素或通訊協議的限制。 
       降低CPU工作負荷：Camera link規格內含有圖像處理所使用的標準芯片組。Camera link圖像采集卡本身也運用直接內存訪問（DMA），以取得最佳的數據傳輸性能。使用DMA時，由圖像采集卡傳輸圖像數據至計算機主機內存時，不需耗用任何主機系統CPU的資源。

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    支持線性掃描工業相機：Camera link所提供的工業相機控制、序列通訊及數據串流法，均極適用于線性掃描應用。目前市面上的線性掃描相機大部份支持Camera link標準。

     圖3：Camera link數據傳輸路徑
PCI Express
       機器視覺應用中所使用的計算機系統，現在已能運用新的PCI Express（PCIe）總線技術。PCIe總線采用序列封包型通訊協議并搭配交換式拓樸，可提供健全的高帶寬點對點聯機，大幅改善其前身PCI總線的性能，因為PCI總線所提供的是總線型接線方式，所有裝置均共享此32-bit或 64-bit并行總線。PCI Express總線不僅能夠提供彈性的帶寬，更維持現有操作系統、PCI驅動程序與應用軟件的完整軟件兼容性。PCIe連結的物理層以1、2、4、8、12及16群組方式設為數個序列信道。每一信道提供2 Gbps的數據傳輸率，即每四個通道鏈接相當于8 Gbps數據傳輸率。PCIe信道同時提供專用的總線，而PCI總線則必須由所有PCI裝置及部份系統功能共享。換言之，PCIe總線提供了圖像數據傳輸專用的鏈接，傳輸數據時不需共享帶寬。

FPGA型圖像處理
       由于圖像數據的傳輸量增加，使得計算機型機器視覺系統的運算能力也必須相對提高，才能維持所需的性能。如前文所述，絕大部份的圖像采集卡可支持DMA，以降低CPU的工作負荷。然而，由計算機主機進行圖像處理仍會加重CPU的工作負荷，同時也形成系統的瓶頸。

       過去，圖像處理帶寬的唯一解決方案，是采用ASIC在工業相機上或圖像采集卡上直接進行圖像處理。然而ASIC解決方案卻明顯提高開發成本、拉長產品上市時間并限制了處理彈性。近年來，雖然用戶因雙核處理器等計算機先進技術提高圖像處理帶寬而受惠，但處理器解決方案仍受到無法整合其他硬件I/O信號的限制。

       使用FPGA（可程序邏輯門陣列）型的可程序組件，可同時解決ASIC及處理器型總輸出量解決方案的難題。FPGA提供一套邏輯組件，使圖像采集卡本身可于圖像采集的同時執行各項預先處理功能，且不將任何工作負荷加載于主機CPU。CPU與FPGA的組合，提供了機器視覺系統性能與成本之間的最佳平衡點。采用FPGA的優點包括：

       運用彈性：FPGA是一種能夠提供可程序、可設定功能的處理核心。
       并行處理：（視規格而定）為提高性能，FPGA提供預先處理演算（例如非特定矩陣相乘）所需的并行運算能力，加速計算流程。
       再利用性：FPGA能快速整合智能財產（IP）區塊，且不需修改邏輯程序部份，從根本上縮短產品上市時間。
       內存存取：部份圖像預先處理作業需要執行多重視框或線條之間的運算。參考圖像及線條儲存于系統內存內，使FPGA能夠并行存取這些內存。
       PCI Express的執行：多數FPGA供貨商均提供PCI Express IP核心，用于執行PCI Express通訊協議。使用此類FPGA可降低圖像采集卡的硬件成本。
       FPGA可執行陰影修正、色彩空間轉換、圖像旋轉、查表運算符等預先處理功能。FPGA亦可加強傳送至主機CPU之前的實時圖像作業，并進一步支持系統性能與成本間取得平衡點的概念。

系統組合
       Camera link、FPGA及PCIe技術的結合，可提供線性掃描與立體檢測等先進機器視覺應用所需的高帶寬、高傳輸速率。

       例如，平板表面檢測通常需要多通道同時采集。PCI Express型系統可支持多張圖像采集卡，并提供各采集卡至主機內存的專用鏈接。由于PCI Express總線具有極高的帶寬，使得各采集卡均能以全速采集圖像，且不需共享帶寬。因此，系統中各采集卡之間不會相互影響，也使檢測系統能獲得最大輸出量。然而，由于機器視覺應用的圖像質量與圖像處理速度提高，計算機主機本身可能仍無法滿足效能的需求；增加FPGA的使用，則可同時提升性能及設計彈性。

       Camera link為現有機器視覺應用在帶寬、實時信號與圖像傳輸方面提供了最佳的解決方案。此項技術結合FPGA等其他技術后，不僅可進一步提升系統的整體性能，更能以最合理的價位提供系統開發商所需的高性能及高分辨率功能。