鑒于圖像傳感器分辨率和幀速率的提高以及市場(chǎng)對(duì)高清影像需求的增長(zhǎng)，目前機(jī)器視覺(jué)面臨的瓶頸就是更高的帶寬需求。當(dāng)前系統(tǒng)只能在圖像質(zhì)量和壓縮比之間進(jìn)行折中。更高的壓縮比會(huì)限制機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的精確度和性能。

USB 3.0的帶寬達(dá)到5.0 Gbps，相對(duì)于當(dāng)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(shè)計(jì)人員提高圖像分辨率和幀率，同時(shí)保證圖像質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員無(wú)需壓縮，能采用更小型的FPGA并減少系統(tǒng)所需的存儲(chǔ)器數(shù)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(jī)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(guó)家的372家參展商，數(shù)量達(dá)到新高。機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)受益于圖像感應(yīng)器的持續(xù)改進(jìn)，被日益推廣用于工業(yè)、醫(yī)療、監(jiān)控、科學(xué)和制造應(yīng)用等領(lǐng)域。

機(jī)器視覺(jué)攝像頭所采用的現(xiàn)有接口標(biāo)準(zhǔn)(GigE、IEEE 1394b和Camera Link)分別支持獨(dú)特的功能，但這些接口標(biāo)準(zhǔn)要權(quán)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(jì)算和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)中最常見(jiàn)的通用接口標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0雖然在機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。而USB 3.0的到來(lái)改變了這一切。

本文將探討機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中采用USB 3.0的優(yōu)勢(shì)，并分析構(gòu)建USB 3.0攝像頭的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。

USB 3.0的優(yōu)勢(shì)

* 1. 其帶寬超過(guò)USB 2.0、IEEE 1394b和GigE
* 2. 用一根線纜傳輸電力和數(shù)據(jù)
* 3. 實(shí)施成本低于Camera Link
* 5. 即插即用，且比GigE更易于設(shè)置
* 6. 已作為USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)際自動(dòng)成像協(xié)會(huì)(AIA)采用

提高帶寬

設(shè)計(jì)人員目前在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)就是：如何跟上高分辨率和高幀率圖像感應(yīng)器所帶來(lái)的不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)速率要求。設(shè)計(jì)人員竭盡全力在接口標(biāo)準(zhǔn)所能提供的帶寬范圍內(nèi)滿足所需的幀大小和幀率要求。設(shè)想一下，如果機(jī)器視覺(jué)攝像頭設(shè)計(jì)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(jí)別。如果采用500萬(wàn)像素的圖像感應(yīng)器，幀速率就要降到可憐的5-10fps。

一些系統(tǒng)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(shù)據(jù)。但是，我們并不傾向于采用壓縮技術(shù)，尤其是在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中更不宜采用壓縮，因?yàn)閴嚎s存在兩大不足：一是圖像質(zhì)量，二是設(shè)計(jì)緊湊性。最新壓縮算法的設(shè)計(jì)理念是使用漸進(jìn)刪除圖像細(xì)節(jié)的方法來(lái)降低必要的比特率。

與消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用不同的是：消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中，因?yàn)槿搜垭y以覺(jué)察，所以大多數(shù)圖像細(xì)節(jié)可以丟失，但是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)捕獲的圖像則要由圖像分析軟件進(jìn)行精確計(jì)算處理，因此，我們就必須捕獲到保留所有圖像細(xì)節(jié)的原始數(shù)據(jù)。此外，機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品還日趨小型化，大多數(shù)機(jī)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(chǔ)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(tǒng)材料清單成本，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，同時(shí)也會(huì)明顯增加設(shè)計(jì)工作，大幅延長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)間。

有了USB 3.0，設(shè)計(jì)人員就能擁有更高的帶寬：USB 3.0支持5Gbps的高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)提供4Gbps的可用帶寬。USB 3.0繼續(xù)支持USB 2.0的批量和同步傳輸機(jī)制，從而能分別確保數(shù)據(jù)交付和帶寬。就同步傳輸而言，USB 3.0得到顯著增強(qiáng)：USB 3.0的傳輸速度從USB 2.0的24MBps提升到了384MBps，相當(dāng)于USB 2.0的16倍。需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)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(nèi)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(jī)器視覺(jué)攝像頭的進(jìn)一步小型化。圖1給出了機(jī)器視覺(jué)攝像頭中采用USB 3.0與其它接口標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所提供的可用帶寬的對(duì)比情況。在5Gbps數(shù)據(jù)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(yīng)用的更具通用性的技術(shù)。

 
圖1：當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)中采用USB 3.0和常見(jiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)的帶寬對(duì)比。

機(jī)器視覺(jué)的質(zhì)量和消費(fèi)者成本

實(shí)施USB 3.0機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的整體系統(tǒng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)施GigE和IEEE 1394b的成本，更低于Camera Link。隨著USB 3.0被消費(fèi)者不斷推廣采用，成本還將持續(xù)降低。目前銷(xiāo)售的PC有九成已經(jīng)內(nèi)置了USB 3.0接口，消費(fèi)者無(wú)需為之支付額外費(fèi)用。USB 3.0連接器和線纜等組件一應(yīng)俱全。此外，USB 3.0線纜能提供4.5W的功率，足以為機(jī)器視覺(jué)攝像頭供電，無(wú)需額外電源。

就3D成像等采用多攝像頭系統(tǒng)的應(yīng)用而言，成本差異就更加明顯了。既然一個(gè)USB主機(jī)能支持多達(dá)255個(gè)設(shè)備，因此多個(gè)USB 3.0攝像頭就能在一根總線上通過(guò)低成本和商用USB 3.0集線器實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行。不是所有其它標(biāo)準(zhǔn)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(jī)器視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)的成本及可用帶寬的對(duì)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(dāng)?shù)腎EEE 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(jìng)爭(zhēng)機(jī)器視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)的成本及帶寬對(duì)比。

USB 3.0攝像頭的實(shí)施

在系統(tǒng)中集成攝像頭需要軟件應(yīng)用讀取圖像感應(yīng)器中的數(shù)據(jù)并發(fā)送控制信息到圖像感應(yīng)器控制器。這可通過(guò)采用USB驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成。視頻攝像頭現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)USB驅(qū)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(shè)備，而且像PC網(wǎng)絡(luò)攝像頭一樣廣泛用于視頻捕獲應(yīng)用。不過(guò)，UVC驅(qū)動(dòng)器存在一些限制，對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不理想，尤其是UVC驅(qū)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(yīng)器的選擇范圍。由于圖像感應(yīng)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(hào)處理流水線)函數(shù)將原始圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為YUV格式的圖像。我們可用FPGA在圖像感應(yīng)器上或通過(guò)軟件在PC主機(jī)上完成上述工作。但這對(duì)某些生成原始Bayer和RGB數(shù)據(jù)、系統(tǒng)中又不需要額外報(bào)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(qū)動(dòng)器最初是針對(duì)消費(fèi)類(lèi)視頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因此不支持機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用所需的高度定制功能，同時(shí)也不能提供機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用可能需要的各種攝像頭控制特性。

鑒于UVC的種種缺陷，機(jī)器視覺(jué)攝像頭產(chǎn)業(yè)需要一種完全不同的設(shè)備類(lèi)型或定制驅(qū)動(dòng)器解決方案。采用定制驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)人員能選擇自己喜歡的圖像感應(yīng)器，并針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)控制特性。但是，要提高靈活性，增加控制特性，就需要更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期。

為了避免這種延遲，國(guó)際自動(dòng)成像協(xié)會(huì)(AIA)已經(jīng)根據(jù)領(lǐng)先成員的提議制定了一種新的標(biāo)準(zhǔn)USB3 Vision。根據(jù)USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)，攝像頭設(shè)備的基本發(fā)現(xiàn)、功能報(bào)告(如增益、亮度、灰度系數(shù)、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(shù)據(jù)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(yīng)器、更多攝像頭控制特性以及GenICam等軟件程序的應(yīng)用層兼容性。我們的想法就是盡可能多地重復(fù)利用GigE Vision和CoaXPress等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的模塊，讓設(shè)計(jì)人員采用自己熟悉的方法，更輕松地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這便于廠商和設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器實(shí)施方案，以滿足那些無(wú)法在硬件中支持全部特性與功能的廠商需求。

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(xiàn)和存儲(chǔ)所有攝像頭控制參數(shù)，那么USB主機(jī)上的定制驅(qū)動(dòng)器會(huì)拋棄這些因素，從而保持與現(xiàn)有軟件應(yīng)用的兼容性。

當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域中的USB 3.0

目前已有許多廠商推出USB 3.0機(jī)器視覺(jué)攝像頭。最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)包含一個(gè)CMOS圖像感應(yīng)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(jù)目標(biāo)應(yīng)用的不同，廠商可對(duì)其攝像頭進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，如利用FPGA實(shí)現(xiàn)ISP和圖像感應(yīng)器接口轉(zhuǎn)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(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的基本方框圖。

 
圖3：采用賽普拉斯FX3的機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)。

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(yīng)器，而且還可提供400 MBps的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，F(xiàn)X3采用一個(gè)帶有512 KBRAM的200 MHz ARM9處理器，確?？焖賯鬏攲?shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)。ARM9內(nèi)核負(fù)責(zé)管理USB 3.0協(xié)議棧，經(jīng)過(guò)編程可根據(jù)需要用作USB視頻類(lèi)型(UVC)、USB3 Vision或廠商定義的攝像頭。

USB 3.0：為機(jī)器視覺(jué)未來(lái)發(fā)展鋪平道路

機(jī)器視覺(jué)對(duì)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(jī)器視覺(jué)攝像頭供應(yīng)商都推出了一款USB 3.0產(chǎn)品或正在積極設(shè)計(jì)該產(chǎn)品。機(jī)器視覺(jué)供應(yīng)商對(duì)USB 3.0的廣泛支持充分說(shuō)明采用USB 3.0能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量視頻、低功耗和低成本。隨著最新USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)的制定，USB 3.0的問(wèn)世明顯標(biāo)志著未來(lái)機(jī)器視覺(jué)接口技術(shù)的重大轉(zhuǎn)變。

關(guān)于作者

Steven Chen現(xiàn)任賽普拉斯數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)和管理科學(xué)專業(yè)雙學(xué)士學(xué)位。

Andrew Tamoney現(xiàn)任賽普拉斯數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)部高級(jí)系統(tǒng)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(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)士學(xué)位。

Karnik Shah現(xiàn)任賽普拉斯數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)部高級(jí)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)為所有USB產(chǎn)品提供支持。他編寫(xiě)過(guò)眾多《應(yīng)用指南》，4年來(lái)還擔(dān)任企業(yè)關(guān)鍵/復(fù)雜項(xiàng)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(guó)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(shè)計(jì)學(xué)士學(xué)位和電子工程設(shè)計(jì)碩士學(xué)位。