機(jī)器視覺采用USB 3.0
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USB 3.0的帶寬達(dá)到5.0 Gbps，相對于當(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)計人員提高圖像分辨率和幀率，同時保證圖像質(zhì)量。設(shè)計人員無需壓縮，能采用更小型的FPGA并減少系統(tǒng)所需的存儲器數(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)器視覺行業(yè)展會VISION迎來25周年慶典，共吸引來自全球32個國家的372家參展商，數(shù)量達(dá)到新高。機(jī)器視覺產(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。計算和消費類產(chǎn)品市場中最常見的通用接口標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0雖然在機(jī)器視覺市場占一席之地，但在帶寬方面仍無法趕上其它接口標(biāo)準(zhǔn)。而USB 3.0的到來改變了這一切。
本文將探討機(jī)器視覺應(yīng)用中采用USB 3.0的優(yōu)勢，并分析構(gòu)建USB 3.0攝像頭的關(guān)鍵設(shè)計考慮事項。
USB 3.0的優(yōu)勢
* 1. 其帶寬超過USB 2.0、IEEE 1394b和GigE
* 2. 用一根線纜傳輸電力和數(shù)據(jù)
* 3. 實施成本低于Camera Link
* 4. 即插即用，且比GigE更易于設(shè)置
* 5. 已作為USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)被國際自動成像協(xié)會(AIA)采用
提高帶寬
設(shè)計人員目前在機(jī)器視覺領(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)器所帶來的不斷增長的數(shù)據(jù)速率要求。設(shè)計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)器視覺攝像頭設(shè)計采用GigE接口，其分辨率就會由于可用帶寬的影響限于120fps的VGA級別。如果采用500萬像素的圖像感應(yīng)器，幀速率就要降到可憐的5-10fps。
一些系統(tǒng)通過壓縮來解決帶寬不足的問題，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)器視覺應(yīng)用中更不宜采用壓縮，因為壓縮存在兩大不足：一是圖像質(zhì)量，二是設(shè)計緊湊性。最新壓縮算法的設(shè)計理念是使用漸進(jìn)刪除圖像細(xì)節(jié)的方法來降低必要的比特率。
與消費類應(yīng)用不同的是：消費類應(yīng)用中，因為人眼難以覺察，所以大多數(shù)圖像細(xì)節(jié)可以丟失，但是機(jī)器視覺系統(tǒng)捕獲的圖像則要由圖像分析軟件進(jìn)行精確計算處理，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)器視覺產(chǎn)品還日趨小型化，大多數(shù)機(jī)器視覺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，比方說需要FPGA進(jìn)行編碼，用存儲器進(jìn)行幀緩沖等，這樣這就會增加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增加系統(tǒng)材料清單成本，使設(shè)計復(fù)雜化，同時也會明顯增加設(shè)計工作，大幅延長設(shè)計時間。
有了USB 3.0，設(shè)計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。需要實時數(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，且不損失畫質(zhì)。因此，USB 3.0既不會影響圖像質(zhì)量，又有助于促進(jìn)機(jī)器視覺攝像頭的進(jìn)一步小型化。圖1給出了機(jī)器視覺攝像頭中采用USB 3.0與其它接口標(biāo)準(zhǔn)時所提供的可用帶寬的對比情況。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)器視覺中采用USB 3.0和常見接口標(biāo)準(zhǔn)的帶寬對比
實施USB 3.0機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體系統(tǒng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實施GigE和IEEE 1394b的成本，更低于Camera Link。隨著USB 3.0被消費者不斷推廣采用，成本還將持續(xù)降低。目前銷售的PC有九成已經(jīng)內(nèi)置了USB 3.0接口，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(yīng)俱全。此外，USB 3.0線纜能提供4.5W的功率，足以為機(jī)器視覺攝像頭供電，無需額外電源。
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