機(jī)器視覺采用USB 3.0
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就3D成像等采用多攝像頭系統(tǒng)的應(yīng)用而言，成本差異就更加明顯了。既然一個(gè)USB主機(jī)能支持多達(dá)255個(gè)設(shè)備，因此多個(gè)USB 3.0攝像頭就能在一根總線上通過低成本和商用USB 3.0集線器實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行。不是所有其它標(biāo)準(zhǔn)都能提供這樣的靈活性。就Camera Link而言，則需要為每個(gè)攝像頭提供一個(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)的成本及可用帶寬的對(duì)比情況。從圖中可以看出，USB 3.0的帶寬明顯比與其成本相當(dāng)?shù)腎EEE 1394b和GigE高得多，幾乎可與成本是其3至4倍乃至更高的Camera Link的帶寬相媲美。
圖2：幾款同類競(jìng)爭機(jī)器視覺標(biāo)準(zhǔn)的成本及帶寬對(duì)比
在系統(tǒng)中集成攝像頭需要軟件應(yīng)用讀取圖像感應(yīng)器中的數(shù)據(jù)并發(fā)送控制信息到圖像感應(yīng)器控制器。這可通過采用USB驅(qū)動(dòng)器來完成。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。不過，UVC驅(qū)動(dòng)器存在一些限制，對(duì)機(jī)器視覺應(yīng)用來說并不理想，尤其是UVC驅(qū)動(dòng)器只支持非壓縮YUV格式(如YUY2和NV12)的圖像，這就限制了圖像感應(yīng)器的選擇范圍。由于圖像感應(yīng)器通常捕獲的是Bayer、RGB或單色圖像，因此必須通過ISP(圖像信號(hào)處理流水線)函數(shù)將原始圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為YUV格式的圖像。我們可用FPGA在圖像感應(yīng)器上或通過軟件在PC主機(jī)上完成上述工作。但這對(duì)某些生成原始Bayer和RGB數(shù)據(jù)、系統(tǒng)中又不需要額外報(bào)頭或ISP的高幀速率或高分辨率攝像頭而言不是好事。
由于UVC驅(qū)動(dòng)器最初是針對(duì)消費(fèi)類視頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因此不支持機(jī)器視覺應(yīng)用所需的高度定制功能，同時(shí)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特性。
鑒于UVC的種種缺陷，機(jī)器視覺攝像頭產(chǎn)業(yè)需要一種完全不同的設(shè)備類型或定制驅(qū)動(dòng)器解決方案。采用定制驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)人員能選擇自己喜歡的圖像感應(yīng)器，并針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用專門設(shè)計(jì)控制特性。但是，要提高靈活性，增加控制特性，就需要更長的設(shè)計(jì)周期。
為了避免這種延遲，國際自動(dòng)成像協(xié)會(huì)(AIA)已經(jīng)根據(jù)領(lǐng)先成員的提議制定了一種新的標(biāo)準(zhǔn)USB3 Vision。根據(jù)USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)，攝像頭設(shè)備的基本發(fā)現(xiàn)、功能報(bào)告(如增益、亮度、灰度系數(shù)、圖像分辨率、幀速率等)以及UVC通過批量或同步管道傳輸數(shù)據(jù)流等功能保持不變。
USB3 Vision的差異性在于其能支持更多傳輸非YUV格式圖像的圖像感應(yīng)器、更多攝像頭控制特性以及GenICam等軟件程序的應(yīng)用層兼容性。我們的想法就是盡可能多地重復(fù)利用GigE Vision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。
USB 3.0 Vision還支持自定義驅(qū)動(dòng)器實(shí)施方案，以滿足那些無法在硬件中支持全部特性與功能的廠商需求。
舉例來說，如果硬件沒有足夠的代碼空間來發(fā)現(xiàn)和存儲(chǔ)所有攝像頭控制參數(shù)，那么USB主機(jī)上的定制驅(qū)動(dòng)器會(huì)拋棄這些因素，從而保持與現(xiàn)有軟件應(yīng)用的兼容性。
當(dāng)前機(jī)器視覺領(lǐng)域中的USB 3.0
目前已有許多廠商推出USB 3.0機(jī)器視覺攝像頭。最常見的設(shè)計(jì)包含一個(gè)CMOS圖像感應(yīng)器和一個(gè)用于USB 3.0連接的賽普拉斯EZ-USB? FX3控制器。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的不同，廠商可對(duì)其攝像頭進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，如利用FPGA實(shí)現(xiàn)ISP和圖像感應(yīng)器接口轉(zhuǎn)換，或采用較大容量的幀緩沖器進(jìn)行影像處理或確保視頻流可靠傳輸。圖3顯示了機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本方框圖。
圖3：采用賽普拉斯FX3的機(jī)器視覺設(shè)計(jì)
USB 3.0：為機(jī)器視覺未來發(fā)展鋪平道路
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突出。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)商都推出了一款USB 3.0產(chǎn)品或正在積極設(shè)計(jì)該產(chǎn)品。機(jī)器視覺供應(yīng)商對(duì)USB 3.0的廣泛支持充分說明采用USB 3.0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，USB 3.0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。
關(guān)于作者
Steven Chen現(xiàn)任賽普拉斯數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)部產(chǎn)品經(jīng)理。他自加拿大安大略省滑鐵盧市的加拿大滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)獲得納米技術(shù)工程設(shè)計(jì)和管理科學(xué)專業(yè)雙學(xué)士學(xué)位。
Andrew Tamoney現(xiàn)任賽普拉斯數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)部高級(jí)系統(tǒng)工程師。他自紐約特洛伊的倫斯勒理工學(xué)院(Rensselaer Polytechnic Institute)獲得電子工程設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)士學(xué)位。
Karnik Shah現(xiàn)任賽普拉斯數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)部高級(jí)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)為所有USB產(chǎn)品提供支持。他編寫過眾多《應(yīng)用指南》，4年來還擔(dān)任企業(yè)關(guān)鍵/復(fù)雜項(xiàng)目的技術(shù)支持聯(lián)系人。他先后從印度古吉拉特邦市古吉拉特邦大學(xué)尼爾瑪理工學(xué)院(Nirma Institute of Technology)和美國加州洛杉磯市南加州大學(xué)(University of Southern California)獲得了電子和通訊工程設(shè)計(jì)學(xué)士學(xué)位和電子工程設(shè)計(jì)碩士學(xué)位。(end)
評(píng)論