作者：Steven Chen，Andrew Tamoney，Karnik Shah

鑒于圖像傳感器分辨率和幀速率的提高以及市場對高清影像需求的增長，目前機器視覺面臨的瓶頸就是更高的帶寬需求。當前系統只能在圖像質量和壓縮比之間進行折中。更高的壓縮比會限制機器視覺系統的精確度和性能。

USB 3.0的帶寬達到5.0 Gbps，相對于當前使用的接口如USB 2.0、IEEE 1394b、GigE和Camera Link等有所提升。更高的帶寬能幫助設計人員提高圖像分辨率和幀率，同時保證圖像質量。設計人員無需壓縮，能采用更小型的FPGA并減少系統所需的存儲器數量，這有助于降低BOM成本，縮減PCB面積，降低功耗。

近期，全球領先的機器視覺行業展會VISION迎來25周年慶典，共吸引來自全球32個國家的372家參展商，數量達到新高。機器視覺產業受益于圖像感應器的持續改進，被日益推廣用于工業、醫療、監控、科學和制造應用等領域。

機器視覺攝像頭所采用的現有接口標準（GigE、IEEE 1394b和Camera Link）分別支持獨特的功能，但這些接口標準要權衡帶寬、封裝、成本和功耗等各方面的要求，難以做到一勞永逸。計算和消費類產品市場中最常見的通用接口標準USB 2.0雖然在機器視覺市場占一席之地，但在帶寬方面仍無法趕上其它接口標準。而USB 3.0的到來改變了這一切。

本文將探討機器視覺應用中采用USB 3.0的優勢，并分析構建USB 3.0攝像頭的關鍵設計考慮事項。

USB 3.0的優勢

* 1. 其帶寬超過USB 2.0、IEEE 1394b和GigE

* 2. 用一根線纜傳輸電力和數據

* 3. 實施成本低于Camera Link

* 5. 即插即用，且比GigE更易于設置

* 6. 已作為USB3 Vision標準被國際自動成像協會（AIA）采用

提高帶寬

設計人員目前在機器視覺領域面臨的一大挑戰就是：如何跟上高分辨率和高幀率圖像感應器所帶來的不斷增長的數據速率要求。設計人員竭盡全力在接口標準所能提供的帶寬范圍內滿足所需的幀大小和幀率要求。設想一下，如果機器視覺攝像頭設計采用GigE接口，其分辨率就會由于可用帶寬的影響限于120fps的VGA級別。如果采用500萬像素的圖像感應器，幀速率就要降到可憐的5-10fps。

一些系統通過壓縮來解決帶寬不足的問題，這樣就能在較慢的接口上傳輸更高的分辨率及幀速率數據。但是，我們并不傾向于采用壓縮技術，尤其是在機器視覺應用中更不宜采用壓縮，因為壓縮存在兩大不足：一是圖像質量，二是設計緊湊性。最新壓縮算法的設計理念是使用漸進刪除圖像細節的方法來降低必要的比特率。

與消費類應用不同的是：消費類應用中，因為人眼難以覺察，所以大多數圖像細節可以丟失，但是機器視覺系統捕獲的圖像則要由圖像分析軟件進行精確計算處理，因此，我們就必須捕獲到保留所有圖像細節的原始數據。此外，機器視覺產品還日趨小型化，大多數機器視覺攝像頭就像一顆超緊湊的冰塊，還不到1立方英尺大小。

然而，要支持壓縮技術，就需要更多的硬件，比方說需要FPGA進行編碼，用存儲器進行幀緩沖等，這樣這就會增加PCB占位面積，進而使最終產品尺寸增大。此外，采用更多壓縮組件也會增加系統材料清單成本，使設計復雜化，同時也會明顯增加設計工作，大幅延長設計時間。

有了USB 3.0，設計人員就能擁有更高的帶寬：USB 3.0支持5Gbps的高數據速率，是USB 2.0（480Mbps）的10倍之多。經過8b/10b編碼，USB 3.0能為數據提供4Gbps的可用帶寬。USB 3.0繼續支持USB 2.0的批量和同步傳輸機制，從而能分別確保數據交付和帶寬。就同步傳輸而言，USB 3.0得到顯著增強：USB 3.0的傳輸速度從USB 2.0的24MBps提升到了384MBps，相當于USB 2.0的16倍。需要實時數據的應用則能從該速度提升中受益匪淺。

有了更高的可用帶寬，USB 3.0無需壓縮，就能傳輸高分辨率和高幀速率視頻內容，且不損失畫質。因此，USB 3.0既不會影響圖像質量，又有助于促進機器視覺攝像頭的進一步小型化。圖1給出了機器視覺攝像頭中采用USB 3.0與其它接口標準時所提供的可用帶寬的對比情況。在5Gbps數據速率情況下，USB 3.0支持更多不同的幀大小和幀速率，從而成為一種支持眾多不同應用的更具通用性的技術。

圖1：當前機器視覺中采用USB 3.0和常見接口標準的帶寬對比。

機器視覺的質量和消費者成本

實施USB 3.0機器視覺系統的整體系統成本遠遠低于實施GigE和IEEE 1394b的成本，更低于Camera Link。隨著USB 3.0被消費者不斷推廣采用，成本還將持續降低。目前銷售的PC有九成已經內置了USB 3.0接口，消費者無需為之支付額外費用。USB 3.0連接器和線纜等組件一應俱全。此外，USB 3.0線纜能提供4.5W的功率，足以為機器視覺攝像頭供電，無需額外電源。

就3D成像等采用多攝像頭系統的應用而言，成本差異就更加明顯了。既然一個USB主機能支持多達255個設備，因此多個USB 3.0攝像頭就能在一根總線上通過低成本和商用USB 3.0集線器實現并行運行。不是所有其它標準都能提供這樣的靈活性。就Camera Link而言，則需要為每個攝像頭提供一個額外的抓幀器。圖2顯示了USB 3.0與其它機器視覺標準的成本及可用帶寬的對比情況。從圖中可以看出，USB 3.0的帶寬明顯比與其成本相當的IEEE 1394b和GigE高得多，幾乎可與成本是其3至4倍乃至更高的Camera Link的帶寬相媲美。

圖2：幾款同類競爭機器視覺標準的成本及帶寬對比。

USB 3.0攝像頭的實施

在系統中集成攝像頭需要軟件應用讀取圖像感應器中的數據并發送控制信息到圖像感應器控制器。這可通過采用USB驅動器來完成。視頻攝像頭現成可用的標準USB驅動器基于USB 視頻類型（UVC）。它是一款兼容所有PC的即插即用設備，而且像PC網絡攝像頭一樣廣泛用于視頻捕獲應用。不過，UVC驅動器存在一些限制，對機器視覺應用來說并不理想，尤其是UVC驅動器只支持非壓縮YUV格式（如YUY2和NV12）的圖像，這就限制了圖像感應器的選擇范圍。由于圖像感應器通常捕獲的是Bayer、RGB或單色圖像，因此必須通過ISP（圖像信號處理流水線）函數將原始圖像數據轉換為YUV格式的圖像。我們可用FPGA在圖像感應器上或通過軟件在PC主機上完成上述工作。但這對某些生成原始Bayer和RGB數據、系統中又不需要額外報頭或ISP的高幀速率或高分辨率攝像頭而言不是好事。

由于UVC驅動器最初是針對消費類視頻應用而設計的，因此不支持機器視覺應用所需的高度定制功能，同時也不能提供機器視覺應用可能需要的各種攝像頭控制特性。

鑒于UVC的種種缺陷，機器視覺攝像頭產業需要一種完全不同的設備類型或定制驅動器解決方案。采用定制驅動器，設計人員能選擇自己喜歡的圖像感應器，并針對目標應用專門設計控制特性。但是，要提高靈活性，增加控制特性，就需要更長的設計周期。

為了避免這種延遲，國際自動成像協會（AIA）已經根據領先成員的提議制定了一種新的標準USB3 Vision。根據USB3 Vision標準，攝像頭設備的基本發現、功能報告（如增益、亮度、灰度系數、圖像分辨率、幀速率等）以及UVC通過批量或同步管道傳輸數據流等功能保持不變。

USB3 Vision的差異性在于其能支持更多傳輸非YUV格式圖像的圖像感應器、更多攝像頭控制特性以及GenICam等軟件程序的應用層兼容性。我們的想法就是盡可能多地重復利用GigE Vision和CoaXPress等現有標準的模塊，讓設計人員采用自己熟悉的方法，更輕松地進行開發。這便于廠商和設計人員將同樣的軟件前端與使用USB3.0的最快速的硬件后端配合使用。

USB 3.0 Vision還支持自定義驅動器實施方案，以滿足那些無法在硬件中支持全部特性與功能的廠商需求。

舉例來說，如果硬件沒有足夠的代碼空間來發現和存儲所有攝像頭控制參數，那么USB主機上的定制驅動器會拋棄這些因素，從而保持與現有軟件應用的兼容性。

當前機器視覺領域中的USB 3.0

目前已有許多廠商推出USB 3.0機器視覺攝像頭。最常見的設計包含一個CMOS圖像感應器和一個用于USB 3.0連接的賽普拉斯EZ-USB？ FX3控制器。根據目標應用的不同，廠商可對其攝像頭進行差異化設計，如利用FPGA實現ISP和圖像感應器接口轉換，或采用較大容量的幀緩沖器進行影像處理或確保視頻流可靠傳輸。圖3顯示了機器視覺系統的基本方框圖。

圖3：采用賽普拉斯FX3的機器視覺設計。

FX3配備了可配置的通用可編程接口（GPIF II），使FX3不僅能夠直接連接至任何FPGA或圖像感應器，而且還可提供400 MBps的數據傳輸速率。此外，FX3采用一個帶有512 KBRAM的200 MHz ARM9處理器，確保快速傳輸實時圖像數據。ARM9內核負責管理USB 3.0協議棧，經過編程可根據需要用作USB視頻類型（UVC）、USB3 Vision或廠商定義的攝像頭。

USB 3.0：為機器視覺未來發展鋪平道路

機器視覺對高帶寬、低功耗和低成本接口的需求比以往更突出。在今年的VISION展會上，幾乎每一家機器視覺攝像頭供應商都推出了一款USB 3.0產品或正在積極設計該產品。機器視覺供應商對USB 3.0的廣泛支持充分說明采用USB 3.0能夠實現高質量視頻、低功耗和低成本。隨著最新USB3 Vision標準的制定，USB 3.0的問世明顯標志著未來機器視覺接口技術的重大轉變。

責任編輯：gt