機器視覺(jué)采用USB 3.0
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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(shí)保證圖像質(zhì)量。設計人員無(wú)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(lǐng)先的機器視覺(jué)行業(yè)展會(huì )VISION迎來(lái)25周年慶典，共吸引來(lái)自全球32個(gè)國家的372家參展商，數量達到新高。機器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)受益于圖像感應器的持續改進(jìn)，被日益推廣用于工業(yè)、醫療、監控、科學(xué)和制造應用等領(lǐng)域。
機器視覺(jué)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(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)中最常見(jiàn)的通用接口標準USB 2.0雖然在機器視覺(jué)市場(chǎng)占一席之地，但在帶寬方面仍無(wú)法趕上其它接口標準。而USB 3.0的到來(lái)改變了這一切。
本文將探討機器視覺(jué)應用中采用USB 3.0的優(yōu)勢，并分析構建USB 3.0攝像頭的關(guān)鍵設計考慮事項。
USB 3.0的優(yōu)勢
* 1. 其帶寬超過(guò)USB 2.0、IEEE 1394b和GigE
* 2. 用一根線(xiàn)纜傳輸電力和數據
* 3. 實(shí)施成本低于Camera Link
* 4. 即插即用，且比GigE更易于設置
* 5. 已作為USB3 Vision標準被國際自動(dòng)成像協(xié)會(huì )(AIA)采用
提高帶寬
設計人員目前在機器視覺(jué)領(lǐng)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(lái)的不斷增長(cháng)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(mǎn)足所需的幀大小和幀率要求。設想一下，如果機器視覺(jué)攝像頭設計采用GigE接口，其分辨率就會(huì )由于可用帶寬的影響限于120fps的VGA級別。如果采用500萬(wàn)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(guò)壓縮來(lái)解決帶寬不足的問(wèn)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(shù)，尤其是在機器視覺(jué)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(zhì)量，二是設計緊湊性。最新壓縮算法的設計理念是使用漸進(jìn)刪除圖像細節的方法來(lái)降低必要的比特率。
與消費類(lèi)應用不同的是：消費類(lèi)應用中，因為人眼難以覺(jué)察，所以大多數圖像細節可以丟失，但是機器視覺(jué)系統捕獲的圖像則要由圖像分析軟件進(jìn)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(jué)產(chǎn)品還日趨小型化，大多數機器視覺(jué)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(shù)，就需要更多的硬件，比方說(shuō)需要FPGA進(jìn)行編碼，用存儲器進(jìn)行幀緩沖等，這樣這就會(huì )增加PCB占位面積，進(jìn)而使最終產(chǎn)品尺寸增大。此外，采用更多壓縮組件也會(huì )增加系統材料清單成本，使設計復雜化，同時(shí)也會(huì )明顯增加設計工作，大幅延長(cháng)設計時(shí)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(jīng)過(guò)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(zhù)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(shí)時(shí)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(wú)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(huà)質(zhì)。因此，USB 3.0既不會(huì )影響圖像質(zhì)量，又有助于促進(jìn)機器視覺(jué)攝像頭的進(jìn)一步小型化。圖1給出了機器視覺(jué)攝像頭中采用USB 3.0與其它接口標準時(shí)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(shù)。
圖1：當前機器視覺(jué)中采用USB 3.0和常見(jiàn)接口標準的帶寬對比
實(shí)施USB 3.0機器視覺(jué)系統的整體系統成本遠遠低于實(shí)施GigE和IEEE 1394b的成本，更低于Camera Link。隨著(zhù)USB 3.0被消費者不斷推廣采用，成本還將持續降低。目前銷(xiāo)售的PC有九成已經(jīng)內置了USB 3.0接口，消費者無(wú)需為之支付額外費用。USB 3.0連接器和線(xiàn)纜等組件一應俱全。此外，USB 3.0線(xiàn)纜能提供4.5W的功率，足以為機器視覺(jué)攝像頭供電，無(wú)需額外電源。
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