在機(jī)器視覺應(yīng)用中使用USB 3.0

　　近期，世界最大的機(jī)器視覺行業(yè)展會VISION迎來了25周年慶典，共吸引32個(gè)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(jìn)步的推動下，機(jī)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(yīng)用中。

　　機(jī)器視覺攝像頭使用的現(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)類產(chǎn)品市場上最普遍使用的通用接口標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0也在機(jī)器視覺市場上占有一席之地，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的問世改變了這一切。

　　本文將探討在機(jī)器視覺應(yīng)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(yīng)注意的主要設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。

　　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(shí)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(biāo)準(zhǔn)被國際自動成像協(xié)會(AIA)采用

　　提高帶寬

　　今天的機(jī)器視覺設(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(jī)器視覺應(yīng)用來說尤為如此。它存在著兩大缺陷：畫質(zhì)和設(shè)計(jì)尺寸。現(xiàn)代壓縮算法就是通過從圖像中逐步刪除細(xì)節(jié)來達(dá)到要求的比特率。在消費(fèi)類應(yīng)用中，即便丟失大部分細(xì)節(jié)也不會被人眼察覺，然而機(jī)器視覺應(yīng)用則不同，機(jī)器視覺系統(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)器視覺產(chǎn)品的主流。大多數(shù)機(jī)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(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。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(jī)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(jī)器視覺攝像頭中使用的其它接口標(biāo)準(zhǔn)提供的可用帶寬的對比情況。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)器視覺質(zhì)量和消費(fèi)者成本

　　實(shí)現(xiàn)USB 3.0機(jī)器視覺系統(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)器視覺攝像頭供電，無需額外電源。