成像系統(tǒng)設(shè)計人員根據(jù)時延性能數(shù)據(jù)來幫助確定系統(tǒng)可以多快地處理、分析及在某些應(yīng)用中顯示圖像。低時延能夠?qū)崿F(xiàn)更高速的質(zhì)量檢測，對于在最終用戶需要實時成像數(shù)據(jù)進(jìn)行決策的領(lǐng)域的應(yīng)用，如圖像引導(dǎo)手術(shù)和軍用車載電子系統(tǒng)，至關(guān)重要。

當(dāng)以太網(wǎng)最初被認(rèn)為是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，以秒計的時延被認(rèn)為可以接受。例如，在閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）安全應(yīng)用中，因為需要時間來壓縮視頻，所以2-3秒的時延很常見。隨著以太網(wǎng)已經(jīng)遷移到實時成像應(yīng)用中，時延或不準(zhǔn)確的傳輸問題不能被容忍。

對實時未壓縮視頻的需求給網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。在工業(yè)視覺系統(tǒng)中，端到端時延閾值約為130毫秒 （ms） 或更少。對于圖像引導(dǎo)手術(shù)或軍用封閉艙驅(qū)動應(yīng)用，設(shè)計人員的目標(biāo)是端到端時延為85毫秒或更少。

本文概述了時延的組成要素，并提供了通過GigE Vision鏈路進(jìn)行圖像傳輸?shù)臅r延測試結(jié)果。

系統(tǒng)延遲

在視覺應(yīng)用中，有幾個因素影響時延，包括網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議架構(gòu)、主計算機(jī)、資源共享和I/O機(jī)制。當(dāng)系統(tǒng)有一個從觸發(fā)事件到輸出信號的整體活動時，系統(tǒng)本身由許多通常串行的內(nèi)部事件組成。在端到端的應(yīng)用中，時延不僅受到曝光和讀出時間的影響，而且受到顯示器刷新時間、將顏色空間從捕捉到的轉(zhuǎn)換為可在PC監(jiān)視器上顯示的所需的處理時間，甚至桌面主題的影響。

高性能GigE Vision的實現(xiàn)通過優(yōu)化鏈路發(fā)送和接收端的數(shù)據(jù)包處理過程來彌補以太網(wǎng)固有的時延和抖動。在成像源和計算端口之間具有專用連接的點對點應(yīng)用應(yīng)該專門配置為具有相對較低的時延和抖動。相比之下，依賴交換機(jī)來互連多個成像源和端點的復(fù)雜視覺應(yīng)用引入了各種延遲機(jī)會。

當(dāng)一個設(shè)備使用公共資源（例如一根以太網(wǎng)電纜）時，其它設(shè)備必須等待資源釋放。了解此時延鏈非常重要，因為此等待時間會增加事件完成所需時延的抖動量。這種增加是以太網(wǎng)架構(gòu)的直接反映，并與成像網(wǎng)絡(luò)上存在的設(shè)備數(shù)量成正比。

協(xié)議架構(gòu)也影響時延。通過標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)流量，TCP確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會錯誤排序或丟失。由于數(shù)據(jù)經(jīng)常在核心互聯(lián)網(wǎng)路由器上丟失，因此TCP規(guī)定接收者必須正面確認(rèn)數(shù)據(jù)的每個片段。這造成了完成數(shù)據(jù)傳輸事件所需的時間顯著增加。

相比之下，GigE Vision是在UDP協(xié)議之上實現(xiàn)的，只有異常情況（數(shù)據(jù)丟失）被接收者所注意。這種輕量級的數(shù)據(jù)傳輸方法可減少時延和抖動，并允許對短的最大保證響應(yīng)時間有更好的確定性。主計算機(jī)和資源共享對視覺系統(tǒng)時延的影響最大。

主計算機(jī)上的進(jìn)程共享多種資源，包括總線、內(nèi)存、CPU、操作系統(tǒng)，以及核心成像和圖形庫。在考慮系統(tǒng)時延時，軟件任務(wù)所需的CPU使用量常常被忽略。從聯(lián)網(wǎng)成像設(shè)備接收圖像的主計算平臺必須在該PC上的所有服務(wù)之間共享處理時間。在CPU上進(jìn)行高處理量的設(shè)備和軟件可以很容易地引入時延。

端到端時延的測量在人們根據(jù)他們在顯示器上所看到的內(nèi)容而采取行動的任何應(yīng)用中都是至關(guān)重要的。這包括圖像引導(dǎo)手術(shù)和軍用局部態(tài)勢感知應(yīng)用。這個值與沒有顯示的圖像處理無關(guān)，因為顯示管道是端到端時延的重要因素。

時延測試系統(tǒng)概述

虹科的內(nèi)部時延測試系統(tǒng)由一臺專用工作站PC、一臺示波器、一個由嵌入式處理器驅(qū)動的LED燈，以及一個光電二極管組成。

為了測量端到端時延，示波器捕捉到打開攝像機(jī)前面的LED燈與光電二極管在PC監(jiān)視器上檢測到此光之間的時間延遲。除了時延之外，該捕捉重復(fù)數(shù)百個周期以了解系統(tǒng)抖動。

“引入時延”描述所選視頻接口的時延測量— 在本測試中，該接口為千兆以太網(wǎng)上的GigE Vision。假設(shè)通過LVDS（例如Camera Link等）和PCIe將圖像傳輸?shù)絇C內(nèi)存所需的時間接近零時延，則這些結(jié)果突出顯示了GigE Vision接口的引入時延。

圖：GigEVision成像系統(tǒng)中潛在端到端時延元素

引入時延”描述所選視頻接口的時延測量— 在本測試中，該接口為千兆以太網(wǎng)上的GigE Vision。假設(shè)通過LVDS（例如Camera Link等）和PCIe將圖像傳輸?shù)絇C內(nèi)存所需的時間接近零時延，則這些結(jié)果突出顯示了GigE Vision接口的引入時延。

為了測量這種時延，我們只評估至少部分在Pleora產(chǎn)品控制范圍內(nèi)并且不與其它時延元素重疊的元素。考慮到時延元素（圖1），這意味著時延“時鐘”在傳感器讀數(shù)結(jié)束時開始，并在圖像可供用戶的應(yīng)用程序分析或顯示時結(jié)束。

引入時延測量包括GigE Vision接收器解封GVSP（GigE Vision流協(xié)議）有效載荷數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)插入在圖像中適當(dāng)坐標(biāo)位置的內(nèi)存中，以及將完整圖像的內(nèi)存復(fù)制到用戶應(yīng)用程序所需的時間。

“引入時延”測量提供了使用LVDS傳輸技術(shù)和GigE Vision的系統(tǒng)之間有價值的比較。

場景一

在本測試中，我們評估了HK iPORT CL-GigE外置式采集卡的引入時延。CL-GigE將來自Camera Link相機(jī)的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包并通過GigE鏈路傳輸。GigE支持使用標(biāo)準(zhǔn)的CAT5e/ 6線纜布線距離長達(dá)100米。使用現(xiàn)成的以太網(wǎng)交換機(jī)，距離可以不受限制。

CameraLink Base相機(jī)? 15.897毫秒曝光時間? 1920 x 1080， mono8? 40 MHz 像素時鐘CL-GigE? 巨型幀（每個以太網(wǎng)幀8k字節(jié)）? 通過千兆以太網(wǎng)直接連接到PCPC? Windows 7 Professional，64位? HP Z230塔式工作站（雙核英特爾酷睿i5-4590 CPU @ 3.3 GHz，8GB RAM）? 60 Hz刷新頻率的1080p監(jiān)視器在約15分鐘內(nèi)的500個數(shù)據(jù)采樣端到端時延? 平均（包括曝光時間）= 69.604毫秒? 最小 = 60.400 毫秒? 最大 = 78.800 毫秒? 標(biāo)準(zhǔn)差 = 4.910 毫秒引入時延? 平均 = 336 微秒? 標(biāo)準(zhǔn)差 = 38 微秒

場景二

在本測試中，我們用HK vDisplay外外置式采集卡取代了用于上述場景1中測試的PC；這是一款基于FPGA的GigEVision接收器。

CameraLink Base相機(jī)? 15.897毫秒曝光時間? 1920 x 1080， mono8? 40 MHz 像素時鐘 — 51 毫秒傳感器讀出時間CL-GigE? 巨型幀（每個以太網(wǎng)幀8k字節(jié)）? 通過千兆以太網(wǎng)直接連接到PCvDisplay外部圖像采集卡? 單緩存模式在約15分鐘內(nèi)的500個數(shù)據(jù)采樣端到端時延? 平均（包括曝光時間）= 59.92 毫秒? 最小 = 50.4 毫秒? 最大 = 69.6 毫秒? 標(biāo)準(zhǔn)差 = 4.746 毫秒

外置式圖像采集卡 HK -CL-GigE

關(guān)鍵特點：

通過低延時可預(yù)測的GigE傳輸Camera Link Base模式像機(jī)的數(shù)據(jù)

較寬的操作溫度范圍（40°C至+60°C）

無需PCI圖像采集卡即可插入各種計算平臺

結(jié)構(gòu)緊湊和功耗低

行掃描和面掃描模式

板載內(nèi)存120MB，可適應(yīng)數(shù)百萬像素傳感器尺寸

支持錄像和重放功能

支持IEEE 1588，允許用戶準(zhǔn)確地控制、觸發(fā)和同步外部設(shè)備和多臺像機(jī)，系統(tǒng)的GPIO則將電子噪聲的影響降到最低

PoE、PoCL和外部供電可選

可編程邏輯控制器（PLC）允許用戶準(zhǔn)確地測量、同步、觸發(fā)和控制其他視覺系統(tǒng)部件

由Pleora功能齊全的eBUS SDK支持

GenICam集成開發(fā)包（包含iPORT AutoGen XML生成工具和固件參考設(shè)計組成）提供一個高效簡潔的GenICam交互界面

審核編輯 ：李倩