在機(jī)器視覺應(yīng)用中使用USB 3.0

　　對(duì)用于3D成像等應(yīng)用的多攝攝像頭系統(tǒng)而言，成本差異更為顯著。由于單個(gè)USB主機(jī)能夠支持多達(dá)255個(gè)設(shè)備，因此多個(gè)USB3.0攝像頭就能在一根總線上通過低成本商用USB3.0集線器實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行。不是所有的其它標(biāo)準(zhǔn)都提供這種靈活性。就Camera Link而言，每個(gè)攝像頭需要配備一個(gè)額外的抓幀器。圖2顯示了USB 3.0與其它機(jī)器視覺標(biāo)準(zhǔn)的成本/可用帶寬的對(duì)比情況。從圖中可以看出，USB3.0的帶寬明顯比與其成本相當(dāng)?shù)腎EEE1394b和GigE高得多，幾乎可與成本是其3至4倍乃至更高的CameraLink的帶寬相媲美。

　　實(shí)現(xiàn)USB 3.0攝像頭

　　把攝像頭集成到系統(tǒng)中需要一個(gè)從圖像傳感器讀取數(shù)據(jù)并向圖像傳感器控制器發(fā)送控制信息的軟件應(yīng)用。這可以通過使用USB驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。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。但是UVC驅(qū)動(dòng)程序存在幾種局限性，并非機(jī)器視覺應(yīng)用的理想選擇。具體而言，UVC驅(qū)動(dòng)程序只支持未經(jīng)壓縮的YUV格式(如YUY2和NV12)圖像，這就限制了圖像傳感器的選擇。由于圖像傳感器一般采集的是Bayer、RGB或單色圖像，因此必須使用圖像信號(hào)流水線(ISP)函數(shù)將原始圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為YUV格式。而這項(xiàng)工作需使用FPGA或通過主機(jī)上的軟件應(yīng)用在圖像傳感器完成。但對(duì)某些只生成純Bayer和RGB數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中無需額外的報(bào)頭或ISP的高幀速或高分辨率攝像頭而言，使用UVC驅(qū)動(dòng)程序就不太恰當(dāng)。因?yàn)閁VC驅(qū)動(dòng)程序原本是為消費(fèi)類視頻應(yīng)用開發(fā)的，既不能滿足機(jī)器視覺應(yīng)用的高度定制化要求，也不能提供機(jī)器視覺應(yīng)用可能需要的各種攝像頭控制功能。

　　鑒于UVC存在的種種缺陷，機(jī)器視覺攝像頭行業(yè)需要完全不同的設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序或定制驅(qū)動(dòng)程序解決方案。在使用定制驅(qū)動(dòng)程序的情況下，設(shè)計(jì)人員可使用選擇的圖像傳感器，專門為目標(biāo)應(yīng)用設(shè)計(jì)控制功能。雖然這提高了靈活性，增加了控制功能，但代價(jià)是延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。

　　為避免這種設(shè)計(jì)延遲，國(guó)際自動(dòng)成像協(xié)會(huì)(AIA)主要成員提議的新標(biāo)準(zhǔn)USB3 Vision正式制定并推出。USB Vision標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)支持?jǐn)z像頭設(shè)備的基本識(shí)別、功能報(bào)告(如增益、亮度、伽馬、圖像分辨率、幀速等)以及通過批量管道或同步管道傳輸數(shù)據(jù)等UVC功能。USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)的不同之處在于它能夠支持更多傳輸非YUV格式圖像的傳感器、更多攝像頭控制功能，同時(shí)在應(yīng)用層面兼容GenlCam等軟件程序。我們的想法就是盡可能多地重復(fù)利用GigEVision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。USB3 Vision還允許定制驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)方案，以滿足其硬件不支持全部特性和功能的廠商的需求。舉例來說，如果硬件沒有足夠的代碼空間來識(shí)別和存儲(chǔ)所有的攝像頭控制參數(shù)，USB主機(jī)上的定制驅(qū)動(dòng)程序可以偽造這些參數(shù)，從而保持與現(xiàn)有軟件應(yīng)用的兼容性。

　　USB 3.0在當(dāng)今機(jī)器視覺中的應(yīng)用

　　目前有許多廠商現(xiàn)已開始提供USB 3.0機(jī)器視覺攝像頭。最常見的設(shè)計(jì)由CMOS圖像傳感器和用于USB 3.0連接的賽普拉斯EZ-USB^® FX3™控制器這兩大部分構(gòu)成。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用，廠商然后可以對(duì)攝像頭進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，比如使用FPGA完成ISP和圖像傳感器接口轉(zhuǎn)換，或是提供大容量幀緩沖器供成像處理或確保視頻流的可靠性。圖3是機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本方框圖。

　　賽普拉斯的FX3采用可配置通用可編程接口(GPIF II)，可讓FX3與任何FPGA或圖像傳感器直接相連，提供高達(dá)400MBps的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，F(xiàn)X3還采用配備512KB RAM的200MHz ARM9處理器，以處理高速傳輸?shù)膶?shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)。ARM9內(nèi)核負(fù)責(zé)管理USB 3.0協(xié)議棧，可根據(jù)需要編程為USB視頻類(UVC)攝攝像頭、USB3 Vision攝攝像頭或者廠商定制的攝像頭。

　　USB 3.0：為機(jī)器視覺的未來發(fā)展鋪平了道路

　　機(jī)器視覺對(duì)高帶寬、低功耗和低成本接口的需求比以往更加迫切。在今年的VISION展會(huì)上，幾乎每一家機(jī)器視覺攝像頭供應(yīng)商要么在展會(huì)上推出自己的USB 3.0產(chǎn)品，要么正在積極設(shè)計(jì)USB 3.0產(chǎn)品。機(jī)器視覺供應(yīng)商對(duì)USB3.0的廣泛支持充分說明采用USB3.0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，USB3.0的問世明顯標(biāo)志著未來機(jī)器視覺接口技術(shù)的重大轉(zhuǎn)變。