機器視覺(jué)采用USB 3.0
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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(gè)USB主機能支持多達255個(gè)設備，因此多個(gè)USB 3.0攝像頭就能在一根總線(xiàn)上通過(guò)低成本和商用USB 3.0集線(xiàn)器實(shí)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(gè)攝像頭提供一個(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(lèi)競爭機器視覺(jué)標準的成本及帶寬對比
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(fā)送控制信息到圖像感應器控制器。這可通過(guò)采用USB驅動(dòng)器來(lái)完成。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。不過(guò)，UVC驅動(dòng)器存在一些限制，對機器視覺(jué)應用來(lái)說(shuō)并不理想，尤其是UVC驅動(dòng)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(guò)ISP(圖像信號處理流水線(xiàn))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(guò)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(dòng)器最初是針對消費類(lèi)視頻應用而設計的，因此不支持機器視覺(jué)應用所需的高度定制功能，同時(shí)也不能提供機器視覺(jué)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(jué)攝像頭產(chǎn)業(yè)需要一種完全不同的設備類(lèi)型或定制驅動(dòng)器解決方案。采用定制驅動(dòng)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(zhuān)門(mén)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(cháng)的設計周期。
為了避免這種延遲，國際自動(dòng)成像協(xié)會(huì )(AIA)已經(jīng)根據領(lǐng)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(fā)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(guò)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(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。
USB 3.0 Vision還支持自定義驅動(dòng)器實(shí)施方案，以滿(mǎn)足那些無(wú)法在硬件中支持全部特性與功能的廠(chǎng)商需求。
舉例來(lái)說(shuō)，如果硬件沒(méi)有足夠的代碼空間來(lái)發(fā)現和存儲所有攝像頭控制參數，那么USB主機上的定制驅動(dòng)器會(huì )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(jué)領(lǐng)域中的USB 3.0
目前已有許多廠(chǎng)商推出USB 3.0機器視覺(jué)攝像頭。最常見(jiàn)的設計包含一個(gè)CMOS圖像感應器和一個(gè)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(chǎng)商可對其攝像頭進(jìn)行差異化設計，如利用FPGA實(shí)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(jìn)行影像處理或確保視頻流可靠傳輸。圖3顯示了機器視覺(jué)系統的基本方框圖。
圖3：采用賽普拉斯FX3的機器視覺(jué)設計
USB 3.0：為機器視覺(jué)未來(lái)發(fā)展鋪平道路
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突出。在今年的VISION展會(huì )上，幾乎每一家機器視覺(jué)攝像頭供應商都推出了一款USB 3.0產(chǎn)品或正在積極設計該產(chǎn)品。機器視覺(jué)供應商對USB 3.0的廣泛支持充分說(shuō)明采用USB 3.0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，USB 3.0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。
關(guān)于作者
Steven Chen現任賽普拉斯數據通信業(yè)務(wù)部產(chǎn)品經(jīng)理。他自加拿大安大略省滑鐵盧市的加拿大滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)獲得納米技術(shù)工程設計和管理科學(xué)專(zhuān)業(yè)雙學(xué)士學(xué)位。
Andrew Tamoney現任賽普拉斯數據通信業(yè)務(wù)部高級系統工程師。他自紐約特洛伊的倫斯勒理工學(xué)院(Rensselaer Polytechnic Institute)獲得電子工程設計和計算機系統工程設計專(zhuān)業(yè)學(xué)士學(xué)位。
Karnik Shah現任賽普拉斯數據通信業(yè)務(wù)部高級應用工程師，負責為所有USB產(chǎn)品提供支持。他編寫(xiě)過(guò)眾多《應用指南》，4年來(lái)還擔任企業(yè)關(guān)鍵/復雜項目的技術(shù)支持聯(lián)系人。他先后從印度古吉拉特邦市古吉拉特邦大學(xué)尼爾瑪理工學(xué)院(Nirma Institute of Technology)和美國加州洛杉磯市南加州大學(xué)(University of Southern California)獲得了電子和通訊工程設計學(xué)士學(xué)位和電子工程設計碩士學(xué)位。(end)
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