为视觉应用选择合适的硬件
概览
NI提供了一系列支持图像采集和处理的硬件选项。本文档将通过探索各种硬件平台相应的软件支持和相机支持，帮助您了解如何在不同的产品规格中进行选择。同时针对性能、工业化以及集成准则等各方面，讨论这些硬件选择。
内容
面向视觉应用的NI硬件平台选项
NI视觉硬件产品包含一系列产品规格：智能相机、独立视觉系统、功能强大的PXI和基于PC的解决方案。这些硬件平台在尺寸规格和性能等方面有所不同，可适应不同的环境、应用和系统架构。
图1.NI提供的主要视觉硬件平台
最高性能的NI CompactRIO和NI单板RIO控制器还支持较低带宽下的图像采集和处理功能。相对于其他视觉平台，这些产品使用更小的图像分辨率、更低的速度和更高的图像压缩来实现这些功能。
图2.可用作视觉平台的CompactRIO和NI单板RIO
软件和操作系统支持
NI视觉软件包旨在使用图1所示的硬件选项运行。这意味着您可以在平台间切换，甚至在任何视觉硬件终端上重用大部分现有代码。您还可以通过维护单个软件包来减少多系统的开发时间和维护成本。
CompactRIO和NI单板RIO平台仅支持NI Vision Development模块图像处理库，不支持NI Vision Builder for Automated Inspection。
| 智能相机 | 紧凑型视觉系统 | 嵌入式视觉系统 | PXI和 PXI Express 系统 | 工业和台式PC | CompactRIO/ 单板RIO | |
| Vision Builder for Automated Inspection | • | • | • | • | • | X |
| Vision Development模块 | • | • | • | • | • | • |
表1.硬件系统选项的视觉软件支持
除了在所有平台上使用NI LabVIEW图形化编程环境外，您还可以利用NI Vision Development模块在基于文本的开发环境中使用C、C++、Visual Basic和.NET语言（Visual Basic .NET和C#）对运行Windows操作系统的系统进行编程（见表2）。
| 智能相机 | 紧凑型视觉系统 | 嵌入式视觉系统 | PXI和 PXI Express 系统 | 工业和台式PC | CompactRIO/ 单板RIO | |
| Windows | X | X | • | • | • | X |
| 实时 | • | • | • | • | • | • |
表2.硬件系统选项的操作系统支持
各平台的优势和性能比较
基于以下9个标准对不同平台进行比较：
- 集成I/O－I/O的数量和范围（数字TTL、数字光隔离、模拟）
- 运动部件维护减少－无风扇设计和固态硬盘不易因振动损坏
- 外形紧凑－更小的尺寸和更高的适配能力，可用于规模更大的系统
- 功耗－系统消耗的总功率
- 额定温度－经验证的系统温度范围
- 采集带宽－可将图像采集到系统中的最大吞吐量，图像由图像分辨率、位深度和帧速率组合定义
- 最大图像尺寸－在内存和处理能力受限的系统上可采集的最大图像尺寸
- 处理能力－更高的处理能力由核心或协处理器的速度和数量决定
- 集成其他测量（例如，DAQ和运动控制）－与通过以太网连接其他设备的集成方式相比，可以直接实现RTSI连接和触发并可将其他模块（C系列模块、PXI模块和PCI板卡）放置于系统中
图3.参考雷达图
在雷达图中，各硬件平台在不同准则下的评价通过分布来表示。有趣的是这种表示方法与表3中用相似评分方法表示的信息相同。
| 智能相机 | 紧凑型视觉系统 | 嵌入式视觉系统 | PXI和 PXI Express 系统 | 工业PC和台式机 | CompactRIO/ 单板RIO | ||
| 工业适用性 | 集成IO （数量和范围） | 3 | 4 | 4 | 5 | 5 | 5 |
| 运动部件 维护减少 | 5 | 5 | 5 | 3 | 3 | 5 | |
| 外形紧凑 | 5 | 4 | 3.5 | 2 | 2 | 4 | |
| 功耗 | 5 | 4 | 4 | 2 | 2 | 5 | |
| 额定 温度 | 4 | 4 | 3 | 4 | 3 | 5 | |
| 性能 | 采集 带宽 | 3 | 3 | 4 | 4 | 5 | 1 |
| 最大图像尺寸 | 2 | 3 | 4 | 4 | 5 | 1 | |
| 处理能力 | 2.5 | 3 | 4 | 4.5 | 5 | 2 | |
| 与其他测量 集成 （例如DAQ和运动控制） | 2 | 2 | 3 | 5 | 4 | 4 | |
| 总分 | 31.5 | 32 | 34.5 | 33.5 | 34 | 32 | |
表3. 所有NI视觉硬件平台的评分比较
NI智能相机
图4.NI智能相机的雷达图
特性
- 集成处理器和图像传感器
- 最低功耗
- 专用视觉硬件
- 用于更高算法性能模型的DSP协处理器
- 集成数字I/O和内置照明控制
NI紧凑型视觉系统
图5.NI紧凑型视觉系统的雷达图
特性
- 多用途IEEE 1394相机
（价格低于多相机系统的智能相机） - 专用视觉硬件
- 固态存储
- 29条可重配置数字I/O线
- 最紧凑的多用途系统
NI嵌入式视觉系统
图6.NI嵌入式视觉系统的雷达图
特性
- 多用途IEEE 1394相机
（价格低于多相机系统的智能相机） - 专用视觉硬件
- 双核处理器和2 GB RAM
- 无风扇设计和固态存储
- 多种工业通信和I/O选项
PXI和PXI Express系统
图7.PXI和PXI Express系统的雷达图
特性
- 支持所有成像标准
- 拥有卓越的定时和触发能力，并且与星形触发器实现高效集成，其中，星形触发器是一种高性能触发信号，可用于同步PXI机箱中的所有模块
- 提供大量视觉相关和非视觉插件板卡
工业PC和台式机
图8.PC系统的雷达图
特性
- 提供大量视觉相关和非视觉插件板卡
- 验证PC与插件板卡兼容性需要一定时间
- 比NI（嵌入式视觉系统、PXI）验证系统的技术寿命更短
- 如果使用集成USB 2.0、USB3、IEEE 1394和[千兆]以太网端口，则无需插件板卡
（尽管插件板卡提供I/O并支持降低负荷） - 无处理器、内存、存储等选项限制
CompactRIO与NI单板RIO
图9.CompactRIO和NI单板RIO系统的雷达图
特性
- 模块化I/O（根据应用程序进行混合和匹配）
- 额定温度范围为-40 ℃～+70 ℃
- NI单板RIO是适用于OEM/嵌入式设备的板卡专用版本
- 更低采集带宽和较高的处理器图像解压缩负荷
（目前适用于使用IP相机采集JPEG格式）
相机支持和相机选择
选择视觉系统时，相机兼容性通常是最终的决定因素。根据所选成像标准以及给定应用所需的成像传感器类型，兼容性差异很大。市面上有大量的相机可供选择，同时NI支持众多标准，因此您可能需要帮助来挑选适合的视觉系统。表3和表4为不同类型的相机提供了硬件解决方案的参考。
图10.NI的视觉系统与许多供应商的相机兼容。
| 智能相机 | 紧凑型视觉系统 | 嵌入式视觉系统 | PXI和 PXI Express 系统 | 工业和台式PC | CompactRIO/ NI单板RIO | |
| 并行数字 | — | — | — | • | • | — |
| 相机链路 | — | — | • | • | • | — |
| GigE视觉 | — | — | • | • | • | — |
| IEEE 1394 | — | • | • | • | • | — |
| USB 2.0 (DirectShow) | — | — | • | • | • | — |
| IP | — | — | — | • | • | • |
| 集成图像传感器 | • | — | — | — | — | — |
1仅通过非NI模拟模块实现低带宽
表4.成像标准的系统支持
| 智能相机 | 紧凑型视觉系统 | 嵌入式视觉 系统 | PXI和 PXI Express 系统 | 工业和台式PC | CompactRIO/ NI单板RIO | |
| 面阵扫描(2D) | • | • | • | • | • | • |
| 线扫描适用性 | — | —1 | • | • | • | —1 |
| 彩色成像 | — | • | • | • | • | • |
| 红外 | — | • | • | • | • | —1 |
| 3D激光剖面传感器2 | — | — | • | • | • | — |
| UV成像 | — | • | • | • | • | — |
| X射线成像 | — | — | —1 | • | • | —1 |
1如需硬件平台，这些传感器系统组合的可用选项有限。
23D测量也可使用多个相机和/或结构化光源以及三角测量算法来实现。
表5.不同传感器类型的系统适用性