機器視覺應用的難點在哪些方面，以及什麼使GigE Vision在系統整合商中如此受歡迎？機器視覺硬體和軟體規格眾多，每個解決方案都有特點，使用者可以從中選擇最適合需求的選項和組合。機器視覺架構的主要大腦都是中央處理單元(CPU)。今天的多核CPU提供卓越的性能，又能使軟體設計人員能夠開發C和其它特定檢測功能的基本應用程序(如符號讀取，字符識別或存在/不存在零件檢測)，並可藉由特定CPU組態、指令集優化程式，同時可由下列幾項協同處理器提高系統性能。
繪圖處理器(GPU)是專用電路，旨在提供巨大的浮點計算能力，可用於加速圖像處理，並且能夠快速處理定義此類圖像的相關數據。GPU可以在大數據集的所有元素上同時應用通用指令，例如構成圖像的元素，且強大的平行運算架構，也是目前深度學習在訓練模型中最佳的方案。
現場可程式邏輯陣列(FPGA)是另一種形式的整合電路，可以對其進行優化以快速執行多條指令，可用於快速執行複雜的功能和計算。
處理器與協同處理器可以組合形成CPU+GPU、CPU+FPGA和CPU+GPU+FPGA，機器視覺處理架構因此可以針對各種的應用進行量身定制，並且實現可擴展的性能。角色的分工處理如下：CPU執行算法；GPU編碼，解碼和顯示訊息；FPGA執行數據預處理，特別是在空間/頻率域中。而在一個晶片上整合CPU和FPGA的SoC系統，由於整合電路體積小、功耗低，因此較常使用在行動設備中。另一方面，對於高頻寬、即時(Real Time)線上檢測環境，CPU+FPGA設計也能得到較好的結果。
對於高資料量與多相機的這類型應用，一台或多台工業相機須通過高速通訊協定將圖像資料傳送到PC，因此GigE Vision成為工業相機介面主流。
GigE Vision最具吸引力的特點是支持更長的電纜長度，與FireWire 4.5公尺的最長電纜長度和Camera Link的10公尺長度相比，GigE Vision支持高達100公尺，而毋須使用中繼器。GigE Vision還能使用乙太網交換機輕鬆擴展其系統。由於每台工業相機都可以使用IP地址進行尋址，因此在同一網路上可以無限制的連接多顆工業相機。同時乙太網電纜能夠通過100公尺長的電纜使用乙太網供電(PoE)；相較於FireWire和Camera Link來說可節省更多配線成本與時間。Cat 5e和Cat 6電纜的低成本使GigE成為需要長距離走線最具成本效益的解決方案。
GigE Vision工業相機協定是基於GenICam的指令結構，GenICam是由歐洲機器視覺協會(EMVA)所定義。以確保符合GigE Vision視覺標準的工業相機都能相容於所有第三方軟體和硬體。這能為系統整合商降低視覺系統整合和維護的成本。此外，GigE Vision結合了其他工業相機所欠缺的許多功能，如高資料量傳輸速率、未壓縮影像傳輸、低配線成本、隨插即用功能。同時也不須額外採購特殊介面且複雜的圖像擷取卡。
現今，市場有為數眾多的GigE Vision相機供應商，提供低至高解析度，高速，單板，緊湊型等各式工業相機，使GigE Vision標準成為最理想的機器視覺相機標準。
Gigabit乙太網和GigE Vision工業相機的優勢可歸納為以下優點：
1.基於PC Base視覺系統的最佳成本效益解決方案。
2.長距離連接：每段100公尺，總長度幾乎不受限制。
3.靈活、多樣化的網路配置。
4.高性能，擴充性好(可通過GigE Vision介面卡或交換器)。
5.基於GigE Vision和GenICam標準，優異的相容性和眾多供應商與型式。
占用CPU資源成GigE Vision限制
使用GigE Vision相機，由於圖像資料是以網路封包的方式從相機傳輸至PC Base平台，須占用系統CPU資源解析網路封包並轉為圖像資料，因此應用程式方面系統整合商可能須要根據系統優先順序和調整CPU多工處理，以達到預期的結果。另一方面在多相機的應用方案中，嵌入式工業控制器或機器視覺系統可能無法提供所需的所有乙太網路接口。在這種情況下，系統整合商可以使用PCI Express或其它擴充槽滿足這需求。
為了解決GigE Vision須占用CPU資源以及多相機獨立頻寬的難題，使用內建CPU(ARM)和FPGA的影像擷取卡，並透過DMA(直接記憶體存取)即時將圖像傳輸到PC系統，完全不占用PC的處理器資源，並確保在圖像採集過程中沒有任何圖像或數據丟失(圖1)。
此外，工業相機的「觸發模式」對於檢測結果也至關重要，許多生產線上的檢測項目需要通過外部控制系統，PLC或感應器傳遞觸發訊號，並達到微秒等級的準確性。因此支援乙太網觸發(ToE)，使得一個或多個工業相機的操作可以通過乙太網路來觸發，且具有微秒等級的反應速度和同步行為，採用一條乙太網路線進行觸發和數據採集，也能使安裝與維護更加容易。
為此，工業電腦廠商提供了一系列支援GigE Vision的PCI Express擷取卡產品(圖2)，適用於所有帶有PCI Express擴充槽的PC平台。如研華旗下的PCIE-1172和PCIE-1174是兩通道和四通道高性能影像擷取卡，內建一個專用FPGA(現場可編程陣列)與ARM協同處理器，另一PCIE-1672E和PCIE-1674E系列是兩通道與四通道入門級介面片，內建高性能、低CPU工作負載的Intel I350伺服器等級乙太網控制器。
(本文作者為研華科技資深產品經理)
