在機器視覺應用中使用USB 3.0

　　對用于3D成像等應用的多攝攝像頭系統而言，成本差異更為顯著。由于單個USB主機能夠支持多達255個設備，因此多個USB3.0攝像頭就能在一根總線上通過低成本商用USB3.0集線器實現并行運行。不是所有的其它標準都提供這種靈活性。就Camera Link而言，每個攝像頭需要配備一個額外的抓幀器。圖2顯示了USB 3.0與其它機器視覺標準的成本/可用帶寬的對比情況。從圖中可以看出，USB3.0的帶寬明顯比與其成本相當的IEEE1394b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。

　　實現USB 3.0攝像頭

　　把攝像頭集成到系統中需要一個從圖像傳感器讀取數據并向圖像傳感器控制器發送控制信息的軟件應用。這可以通過使用USB驅動程序來實現。視頻攝像頭現成可用的標準USB驅動器基于USB視頻類型(UVC)。它是一款兼容所有PC的即插即用設備，而且像PC網絡攝像頭一樣廣泛用于視頻捕獲應用。但是UVC驅動程序存在幾種局限性，并非機器視覺應用的理想選擇。具體而言，UVC驅動程序只支持未經壓縮的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流水線(ISP)函數將原始圖像數據轉換為YUV格式。而這項工作需使用FPGA或通過主機上的軟件應用在圖像傳感器完成。但對某些只生成純Bayer和RGB數據，系統中無需額外的報頭或ISP的高幀速或高分辨率攝像頭而言，使用UVC驅動程序就不太恰當。因為UVC驅動程序原本是為消費類視頻應用開發的，既不能滿足機器視覺應用的高度定制化要求，也不能提供機器視覺應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，機器視覺攝像頭行業需要完全不同的設備類驅動程序或定制驅動程序解決方案。在使用定制驅動程序的情況下，設計人員可使用選擇的圖像傳感器，專門為目標應用設計控制功能。雖然這提高了靈活性，增加了控制功能，但代價是延長了設計周期。

　　為避免這種設計延遲，國際自動成像協會(AIA)主要成員提議的新標準USB3 Vision正式制定并推出。USB Vision標準繼續支持攝像頭設備的基本識別、功能報告(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據等UVC功能。USB3 Vision標準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，同時在應用層面兼容GenlCam等軟件程序。我們的想法就是盡可能多地重復利用GigEVision和CoaXPress等現有標準的模塊，讓設計人員采用自己熟悉的方法，更輕松地進行開發。這便于廠商和設計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還允許定制驅動程序實現方案，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別和存儲所有的攝像頭控制參數，USB主機上的定制驅動程序可以偽造這些參數，從而保持與現有軟件應用的兼容性。

　　USB 3.0在當今機器視覺中的應用

　　目前有許多廠商現已開始提供USB 3.0機器視覺攝像頭。最常見的設計由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成。根據目標應用，廠商然后可以對攝像頭進行差異化設計，比如使用FPGA完成ISP和圖像傳感器接口轉換，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是機器視覺系統的基本方框圖。

　　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400MBps的數據傳輸速率。此外，FX3還采用配備512KB RAM的200MHz ARM9處理器，以處理高速傳輸的實時成像數據。ARM9內核負責管理USB 3.0協議棧，可根據需要編程為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：為機器視覺的未來發展鋪平了道路

　　機器視覺對高帶寬、低功耗和低成本接口的需求比以往更加迫切。在今年的VISION展會上，幾乎每一家機器視覺攝像頭供應商要么在展會上推出自己的USB 3.0產品，要么正在積極設計USB 3.0產品。機器視覺供應商對USB3.0的廣泛支持充分說明采用USB3.0能夠實現高質量視頻、低功耗和低成本。隨著最新USB3 Vision標準的制定，USB3.0的問世明顯標志著未來機器視覺接口技術的重大轉變。