機器視覺采用USB 3.0
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USB 3.0的帶寬達到5.0 Gbps，相對于當前使用的接口如USB 2.0、IEEE 1394b、GigE和Camera Link等有所提升。更高的帶寬能幫助設計人員提高圖像分辨率和幀率，同時保證圖像質量。設計人員無需壓縮，能采用更小型的FPGA并減少系統所需的存儲器數量，這有助于降低BOM成本，縮減PCB面積，降低功耗。
近期，全球領先的機器視覺行業展會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，數量達到新高。機器視覺產業受益于圖像感應器的持續改進，被日益推廣用于工業、醫療、監控、科學和制造應用等領域。
機器視覺攝像頭所采用的現有接口標準(GigE、IEEE 1394b和Camera Link)分別支持獨特的功能，但這些接口標準要權衡帶寬、封裝、成本和功耗等各方面的要求，難以做到一勞永逸。計算和消費類產品市場中最常見的通用接口標準USB 2.0雖然在機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準。而USB 3.0的到來改變了這一切。
本文將探討機器視覺應用中采用USB 3.0的優勢，并分析構建USB 3.0攝像頭的關鍵設計考慮事項。
USB 3.0的優勢
* 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據
* 3. 實施成本低于Camera Link
* 4. 即插即用，且比GigE更易于設置
* 5. 已作為USB3 Vision標準被國際自動成像協會(AIA)采用
提高帶寬
設計人員目前在機器視覺領域面臨的一大挑戰就是：如何跟上高分辨率和高幀率圖像感應器所帶來的不斷增長的數據速率要求。設計人員竭盡全力在接口標準所能提供的帶寬范圍內滿足所需的幀大小和幀率要求。設想一下，如果機器視覺攝像頭設計采用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器，幀速率就要降到可憐的5-10fps。
一些系統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據。但是，我們并不傾向于采用壓縮技術，尤其是在機器視覺應用中更不宜采用壓縮，因為壓縮存在兩大不足：一是圖像質量，二是設計緊湊性。最新壓縮算法的設計理念是使用漸進刪除圖像細節的方法來降低必要的比特率。
與消費類應用不同的是：消費類應用中，因為人眼難以覺察，所以大多數圖像細節可以丟失，但是機器視覺系統捕獲的圖像則要由圖像分析軟件進行精確計算處理，因此，我們就必須捕獲到保留所有圖像細節的原始數據。此外，機器視覺產品還日趨小型化，大多數機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，就需要更多的硬件，比方說需要FPGA進行編碼，用存儲器進行幀緩沖等，這樣這就會增加PCB占位面積，進而使最終產品尺寸增大。此外，采用更多壓縮組件也會增加系統材料清單成本，使設計復雜化，同時也會明顯增加設計工作，大幅延長設計時間。
有了USB 3.0，設計人員就能擁有更高的帶寬：USB 3.0支持5Gbps的高數據速率，是USB 2.0(480Mbps)的10倍之多。經過8b/10b編碼，USB 3.0能為數據提供4Gbps的可用帶寬。USB 3.0繼續支持USB 2.0的批量和同步傳輸機制，從而能分別確保數據交付和帶寬。就同步傳輸而言，USB 3.0得到顯著增強：USB 3.0的傳輸速度從USB 2.0的24MBps提升到了384MBps，相當于USB 2.0的16倍。需要實時數據的應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容，且不損失畫質。因此，USB 3.0既不會影響圖像質量，又有助于促進機器視覺攝像頭的進一步小型化。圖1給出了機器視覺攝像頭中采用USB 3.0與其它接口標準時所提供的可用帶寬的對比情況。在5Gbps數據速率情況下，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用的更具通用性的技術。
圖1：當前機器視覺中采用USB 3.0和常見接口標準的帶寬對比
實施USB 3.0機器視覺系統的整體系統成本遠遠低于實施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，成本還將持續降低。目前銷售的PC有九成已經內置了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俱全。此外，USB 3.0線纜能提供4.5W的功率，足以為機器視覺攝像頭供電，無需額外電源。
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