在機器視覺(jué)應用中使用USB 3.0

　　對用于3D成像等應用的多攝攝像頭系統而言，成本差異更為顯著(zhù)。由于單個(gè)USB主機能夠支持多達255個(gè)設備，因此多個(gè)USB3.0攝像頭就能在一根總線(xiàn)上通過(guò)低成本商用USB3.0集線(xiàn)器實(shí)現并行運行。不是所有的其它標準都提供這種靈活性。就Camera Link而言，每個(gè)攝像頭需要配備一個(gè)額外的抓幀器。圖2顯示了USB 3.0與其它機器視覺(jué)標準的成本/可用帶寬的對比情況。從圖中可以看出，USB3.0的帶寬明顯比與其成本相當的IEEE1394b和GigE高得多，幾乎可與成本是其3至4倍乃至更高的CameraLink的帶寬相媲美。

　　實(shí)現USB 3.0攝像頭

　　把攝像頭集成到系統中需要一個(gè)從圖像傳感器讀取數據并向圖像傳感器控制器發(fā)送控制信息的軟件應用。這可以通過(guò)使用USB驅動(dòng)程序來(lái)實(shí)現。視頻攝像頭現成可用的標準USB驅動(dòng)器基于USB視頻類(lèi)型(UVC)。它是一款兼容所有PC的即插即用設備，而且像PC網(wǎng)絡(luò )攝像頭一樣廣泛用于視頻捕獲應用。但是UVC驅動(dòng)程序存在幾種局限性，并非機器視覺(jué)應用的理想選擇。具體而言，UVC驅動(dòng)程序只支持未經(jīng)壓縮的YUV格式(如YUY2和NV12)圖像，這就限制了圖像傳感器的選擇。由于圖像傳感器一般采集的是Bayer、RGB或單色圖像，因此必須使用圖像信號流水線(xiàn)(ISP)函數將原始圖像數據轉換為YUV格式。而這項工作需使用FPGA或通過(guò)主機上的軟件應用在圖像傳感器完成。但對某些只生成純Bayer和RGB數據，系統中無(wú)需額外的報頭或ISP的高幀速或高分辨率攝像頭而言，使用UVC驅動(dòng)程序就不太恰當。因為UVC驅動(dòng)程序原本是為消費類(lèi)視頻應用開(kāi)發(fā)的，既不能滿(mǎn)足機器視覺(jué)應用的高度定制化要求，也不能提供機器視覺(jué)應用可能需要的各種攝像頭控制功能。

　　鑒于UVC存在的種種缺陷，機器視覺(jué)攝像頭行業(yè)需要完全不同的設備類(lèi)驅動(dòng)程序或定制驅動(dòng)程序解決方案。在使用定制驅動(dòng)程序的情況下，設計人員可使用選擇的圖像傳感器，專(zhuān)門(mén)為目標應用設計控制功能。雖然這提高了靈活性，增加了控制功能，但代價(jià)是延長(cháng)了設計周期。

　　為避免這種設計延遲，國際自動(dòng)成像協(xié)會(huì )(AIA)主要成員提議的新標準USB3 Vision正式制定并推出。USB Vision標準繼續支持攝像頭設備的基本識別、功能報告(如增益、亮度、伽馬、圖像分辨率、幀速等)以及通過(guò)批量管道或同步管道傳輸數據等UVC功能。USB3 Vision標準的不同之處在于它能夠支持更多傳輸非YUV格式圖像的傳感器、更多攝像頭控制功能，同時(shí)在應用層面兼容GenlCam等軟件程序。我們的想法就是盡可能多地重復利用GigEVision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(jìn)行開(kāi)發(fā)。這便于廠(chǎng)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。USB3 Vision還允許定制驅動(dòng)程序實(shí)現方案，以滿(mǎn)足其硬件不支持全部特性和功能的廠(chǎng)商的需求。舉例來(lái)說(shuō)，如果硬件沒(méi)有足夠的代碼空間來(lái)識別和存儲所有的攝像頭控制參數，USB主機上的定制驅動(dòng)程序可以偽造這些參數，從而保持與現有軟件應用的兼容性。

　　USB 3.0在當今機器視覺(jué)中的應用

　　目前有許多廠(chǎng)商現已開(kāi)始提供USB 3.0機器視覺(jué)攝像頭。最常見(jiàn)的設計由CMOS圖像傳感器和用于USB 3.0連接的賽普拉斯EZ-USB^® FX3™控制器這兩大部分構成。根據目標應用，廠(chǎng)商然后可以對攝像頭進(jìn)行差異化設計，比如使用FPGA完成ISP和圖像傳感器接口轉換，或是提供大容量幀緩沖器供成像處理或確保視頻流的可靠性。圖3是機器視覺(jué)系統的基本方框圖。

　　賽普拉斯的FX3采用可配置通用可編程接口(GPIF II)，可讓FX3與任何FPGA或圖像傳感器直接相連，提供高達400MBps的數據傳輸速率。此外，FX3還采用配備512KB RAM的200MHz ARM9處理器，以處理高速傳輸的實(shí)時(shí)成像數據。ARM9內核負責管理USB 3.0協(xié)議棧，可根據需要編程為USB視頻類(lèi)(UVC)攝攝像頭、USB3 Vision攝攝像頭或者廠(chǎng)商定制的攝像頭。

　　USB 3.0：為機器視覺(jué)的未來(lái)發(fā)展鋪平了道路

　　機器視覺(jué)對高帶寬、低功耗和低成本接口的需求比以往更加迫切。在今年的VISION展會(huì )上，幾乎每一家機器視覺(jué)攝像頭供應商要么在展會(huì )上推出自己的USB 3.0產(chǎn)品，要么正在積極設計USB 3.0產(chǎn)品。機器視覺(jué)供應商對USB3.0的廣泛支持充分說(shuō)明采用USB3.0能夠實(shí)現高質(zhì)量視頻、低功耗和低成本。隨著(zhù)最新USB3 Vision標準的制定，USB3.0的問(wèn)世明顯標志著(zhù)未來(lái)機器視覺(jué)接口技術(shù)的重大轉變。