在機器視覺應用中使用USB 3.0

　　近期，世界最大的機器視覺行業(yè)展會VISION迎來了25周年慶典，共吸引32個國家的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)的不斷進步的推動下，機器視覺行業(yè)蓬勃發(fā)展，不斷深入到工業(yè)、醫(yī)療、監(jiān)視、科研、制造等眾多應用中。

　　機器視覺攝像頭使用的現(xiàn)有接口標準，包括千兆位以太網(wǎng)、IEEE 1394b和 Camera Link，都具備獨到的功能，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。雖然計算和消費類產(chǎn)品市場上最普遍使用的通用接口標準USB 2.0也在機器視覺市場上占有一席之地，但從帶寬的角度衡量，它遠遠落后于其它標準。然而，USB 3.0的問世改變了這一切。

　　本文將探討在機器視覺應用中使用USB 3.0的優(yōu)勢，以及構(gòu)建基于USB 3.0的攝像頭應注意的主要設(shè)計考慮事項。

　　USB 3.0的優(yōu)勢

　　♦ 相對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)
　　♦ 實現(xiàn)成本低于Camera Link
　　♦ 即插即用，相對千兆位以太網(wǎng)更易于設(shè)置
　　♦ 已作為USB3Vision標準被國際自動成像協(xié)會(AIA)采用

　　提高帶寬

　　今天的機器視覺設(shè)計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的不斷增大的數(shù)據(jù)速率需求。設(shè)計人員竭盡全力在接口標準提供的有限帶寬中實現(xiàn)所需的幀尺寸和幀速。以使用千兆位以太網(wǎng)的機器視覺攝像頭設(shè)計為例，由于可用帶寬的限制，分辨率限制在VGA水平，幀速不超過120fps。如果使用5百萬像素的傳感器，幀速就要降到可憐的5-10 fps。

　　某些系統(tǒng)使用壓縮來克服帶寬不足問題，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，對機器視覺應用來說尤為如此。它存在著兩大缺陷：畫質(zhì)和設(shè)計尺寸?，F(xiàn)代壓縮算法就是通過從圖像中逐步刪除細節(jié)來達到要求的比特率。在消費類應用中，即便丟失大部分細節(jié)也不會被人眼察覺，然而機器視覺應用則不同，機器視覺系統(tǒng)采集的圖像要經(jīng)精確計算處理，用于圖像分析。因此采集到、保留每比特圖像細節(jié)的原始數(shù)據(jù)至關(guān)重要。此外，微型化已經(jīng)成為機器視覺產(chǎn)品的主流。大多數(shù)機器視覺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器，這樣會增大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增加系統(tǒng)的材料清單成本(BOM)，讓設(shè)計變得更加復雜，造成工程工作和設(shè)計時間明顯增加。

　　采用USB 3.0，設(shè)計人員現(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。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。依賴于實時數(shù)據(jù)的應用可從這項改進中大受裨益。

　　USB 3.0提供有更高可用帶寬，因此無需壓縮就能傳輸質(zhì)量無損的高分辨率、高幀速視頻內(nèi)容。這樣USB 3.0不會影響畫質(zhì)，有助于推動機器視覺攝像頭的微型化。圖1顯示了USB 3.0提供的可用帶寬與機器視覺攝像頭中使用的其它接口標準提供的可用帶寬的對比情況。USB 3.0的數(shù)據(jù)速率達到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用的更具通用性的技術(shù)。

　　機器視覺質(zhì)量和消費者成本

　　實現(xiàn)USB 3.0機器視覺系統(tǒng)的總體系統(tǒng)成本遠遠低于使用千兆位以太網(wǎng)、IEEE 1394b，尤其是Camera Link實現(xiàn)的系統(tǒng)的成本。由于消費者對USB 3.0的追捧，這個成本還在不斷下降。如今出售的PC機中，有90%內(nèi)置有USB 3.0，消費者無需為之支付額外費用。USB 3.0連接器和線纜等組件一應俱全。此外USB 3.0還能提供4.5W的電源，足以為機器視覺攝像頭供電，無需額外電源。