在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中使用USB 3.0

　　近期，世界最大的機(jī)器視覺(jué)行業(yè)展會(huì)VISION迎來(lái)了25周年慶典，共吸引32個(gè)國(guó)家的372家展商，展商數(shù)量創(chuàng)下歷史新高。在圖像傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步的推動(dòng)下，機(jī)器視覺(jué)行業(yè)蓬勃發(fā)展，不斷深入到工業(yè)、醫(yī)療、監(jiān)視、科研、制造等眾多應(yīng)用中。

　　機(jī)器視覺(jué)攝像頭使用的現(xiàn)有接口標(biāo)準(zhǔn)，包括千兆位以太網(wǎng)、IEEE 1394b和 Camera Link，都具備獨(dú)到的功能，但由于帶寬、尺寸、成本和功耗方面的取舍，都不能提供一種完全通用的解決方案。雖然計(jì)算和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)上最普遍使用的通用接口標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0也在機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)上占有一席之地，但從帶寬的角度衡量，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它標(biāo)準(zhǔn)。然而，USB 3.0的問(wèn)世改變了這一切。

　　本文將探討在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中使用USB 3.0的優(yōu)勢(shì)，以及構(gòu)建基于USB 3.0的攝像頭應(yīng)注意的主要設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。

　　USB 3.0的優(yōu)勢(shì)

　　♦ 相對(duì)USB 2.0、IEEE 1394b和GigE，帶寬更高
　　♦ 用一根線纜傳輸電力和數(shù)據(jù)
　　♦ 實(shí)現(xiàn)成本低于Camera Link
　　♦ 即插即用，相對(duì)千兆位以太網(wǎng)更易于設(shè)置
　　♦ 已作為USB3Vision標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)際自動(dòng)成像協(xié)會(huì)(AIA)采用

　　提高帶寬

　　今天的機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是滿足圖像傳感器分辨率和幀速不斷提升帶來(lái)的不斷增大的數(shù)據(jù)速率需求。設(shè)計(jì)人員竭盡全力在接口標(biāo)準(zhǔn)提供的有限帶寬中實(shí)現(xiàn)所需的幀尺寸和幀速。以使用千兆位以太網(wǎng)的機(jī)器視覺(jué)攝像頭設(shè)計(jì)為例，由于可用帶寬的限制，分辨率限制在VGA水平，幀速不超過(guò)120fps。如果使用5百萬(wàn)像素的傳感器，幀速就要降到可憐的5-10 fps。

　　某些系統(tǒng)使用壓縮來(lái)克服帶寬不足問(wèn)題，以便用速度較慢的接口傳輸分辨率較高、幀速較大的數(shù)據(jù)。但是壓縮并非首選方案，對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤為如此。它存在著兩大缺陷：畫(huà)質(zhì)和設(shè)計(jì)尺寸?，F(xiàn)代壓縮算法就是通過(guò)從圖像中逐步刪除細(xì)節(jié)來(lái)達(dá)到要求的比特率。在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中，即便丟失大部分細(xì)節(jié)也不會(huì)被人眼察覺(jué)，然而機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用則不同，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采集的圖像要經(jīng)精確計(jì)算處理，用于圖像分析。因此采集到、保留每比特圖像細(xì)節(jié)的原始數(shù)據(jù)至關(guān)重要。此外，微型化已經(jīng)成為機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品的主流。大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)攝像頭采用超緊湊的“冰塊”外形，還不到1立方英寸大小。但是要支持壓縮就需要更多的硬件，比如用于編碼的FPGA、用于幀緩存的更多存儲(chǔ)器，這樣會(huì)增大PCB占位面積和最終產(chǎn)品尺寸。另外采用更多壓縮用組件會(huì)增加系統(tǒng)的材料清單成本(BOM)，讓設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，造成工程工作和設(shè)計(jì)時(shí)間明顯增加。

　　采用USB 3.0，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有更多帶寬可供使用。USB 3.0可提供5Gbps的數(shù)據(jù)速率，相對(duì)USB 2.0的480 Mbps提高近10倍。在8b/10b編碼后，USB 3.0可為數(shù)據(jù)提供4Gbps的可用帶寬。USB 3.0傳承USB 2.0的批量傳輸和同步傳輸機(jī)制，分別保證數(shù)據(jù)交付和帶寬需求。就同步傳輸而言，USB 3.0有明顯的升級(jí)。USB 3.0的同步傳輸速率為384 MB/s，相比USB 2.0的24 MB/s，提升了16倍。依賴于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用可從這項(xiàng)改進(jìn)中大受裨益。

　　USB 3.0提供有更高可用帶寬，因此無(wú)需壓縮就能傳輸質(zhì)量無(wú)損的高分辨率、高幀速視頻內(nèi)容。這樣USB 3.0不會(huì)影響畫(huà)質(zhì)，有助于推動(dòng)機(jī)器視覺(jué)攝像頭的微型化。圖1顯示了USB 3.0提供的可用帶寬與機(jī)器視覺(jué)攝像頭中使用的其它接口標(biāo)準(zhǔn)提供的可用帶寬的對(duì)比情況。USB 3.0的數(shù)據(jù)速率達(dá)到5 Gbps，能支持更大范圍的幀大小和幀速，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)。

　　機(jī)器視覺(jué)質(zhì)量和消費(fèi)者成本

　　實(shí)現(xiàn)USB 3.0機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的總體系統(tǒng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用千兆位以太網(wǎng)、IEEE 1394b，尤其是Camera Link實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的成本。由于消費(fèi)者對(duì)USB 3.0的追捧，這個(gè)成本還在不斷下降。如今出售的PC機(jī)中，有90%內(nèi)置有USB 3.0，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還能提供4.5W的電源，足以為機(jī)器視覺(jué)攝像頭供電，無(wú)需額外電源。