机器视觉采用USB 3.0

就3D成像等采用多摄像头系统的应用而言，成本差异就更加明显了。既然一个USB主机能支持多达255个设备，因此多个USB3.0摄像头就能在一根总线上通过低成本和商用USB3.0集线器实现并行运行。不是所有其它标准都能提供这样的灵活性。就Camera Link而言，则需要为每个摄像头提供一个额外的抓帧器。图2显示了USB3.0与其它机器视觉标准的成本及可用带宽的对比情况。从图中可以看出，USB 3.0的带宽明显比与其成本相当的IEEE 1394b和GigE高得多，几乎可与成本是其3至4倍乃至更高的Camera Link的带宽相媲美。

图2：几款同类竞争机器视觉标准的成本及带宽对比

USB 3.0摄像头的实施

在系统中集成摄像头需要软件应用读取图像感应器中的数据并发送控制信息到图像感应器控制器。这可通过采用USB驱动器来完成。视频摄像头现成可用的标准USB驱动器基于USB 视频类型(UVC)。它是一款兼容所有PC的即插即用设备，而且像PC网络摄像头一样广泛用于视频捕获应用。不过，UVC驱动器存在一些限制，对机器视觉应用来说并不理想，尤其是UVC驱动器只支持非压缩YUV格式(如YUY2和NV12)的图像，这就限制了图像感应器的选择范围。由于图像感应器通常捕获的是Bayer、RGB或单色图像，因此必须通过ISP(图像信号处理流水线)函数将原始图像数据转换为YUV格式的图像。我们可用FPGA在图像感应器上或通过软件在PC主机上完成上述工作。但这对某些生成原始Bayer和RGB数据、系统中又不需要额外报头或ISP的高帧速率或高分辨率摄像头而言不是好事。

由于UVC驱动器最初是针对消费类视频应用而设计的，因此不支持机器视觉应用所需的高度定制功能，同时也不能提供机器视觉应用可能需要的各种摄像头控制特性。

鉴于UVC的种种缺陷，机器视觉摄像头产业需要一种完全不同的设备类型或定制驱动器解决方案。采用定制驱动器，设计人员能选择自己喜欢的图像感应器，并针对目标应用专门设计控制特性。但是，要提高灵活性，增加控制特性，就需要更长的设计周期。

为了避免这种延迟，国际自动成像协会(AIA)已经根据领先成员的提议制定了一种新的标准USB3 Vision。根据USB3 Vision标准，摄像头设备的基本发现、功能报告(如增益、亮度、灰度系数、图像分辨率、帧速率等)以及UVC通过批量或同步管道传输数据流等功能保持不变。

USB3 Vision的差异性在于其能支持更多传输非YUV格式图像的图像感应器、更多摄像头控制特性以及GenICam等软件程序的应用层兼容性。我们的想法就是尽可能多地重复利用GigE Vision和CoaXPress等现有标准的模块，让设计人员采用自己熟悉的方法，更轻松地进行开发。这便于厂商和设计人员将同样的软件前端与使用USB3.0的最快速的硬件后端配合使用。

USB 3.0 Vision还支持自定义驱动器实施方案，以满足那些无法在硬件中支持全部特性与功能的厂商需求。

举例来说，如果硬件没有足够的代码空间来发现和存储所有摄像头控制参数，那么USB主机上的定制驱动器会抛弃这些因素，从而保持与现有软件应用的兼容性。

当前机器视觉领域中的USB 3.0

目前已有许多厂商推出USB 3.0机器视觉摄像头。最常见的设计包含一个CMOS图像感应器和一个用于USB 3.0连接的赛普拉斯EZ-USB? FX3控制器。根据目标应用的不同，厂商可对其摄像头进行差异化设计，如利用FPGA实现ISP和图像感应器接口转换，或采用较大容量的帧缓冲器进行影像处理或确保视频流可靠传输。图3显示了机器视觉系统的基本方框图。

图3：采用赛普拉斯FX3的机器视觉设计

FX3配备了可配置的通用可编程接口(GPIF II)，使FX3不仅能够直接连接至任何FPGA或图像感应器，而且还可提供400 MBps的数据传输速率。此外，FX3采用一个带有512 KBRAM的200 MHz ARM9处理器，确保快速传输实时图像数据。ARM9内核负责管理USB 3.0协议栈，经过编程可根据需要用作USB视频类型(UVC)、USB3 Vision或厂商定义的摄像头。

USB 3.0：为机器视觉未来发展铺平道路

机器视觉对高带宽、低功耗和低成本接口的需求比以往更突出。在今年的VISION展会上，几乎每一家机器视觉摄像头供应商都推出了一款USB 3.0产品或正在积极设计该产品。机器视觉供应商对USB 3.0的广泛支持充分说明采用USB 3.0能够实现高质量视频、低功耗和低成本。随着最新USB3 Vision标准的制定，USB 3.0的问世明显标志着未来机器视觉接口技术的重大转变。

关于作者

Steven Chen现任赛普拉斯数据通信业务部产品经理。他自加拿大安大略省滑铁卢市的加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)获得纳米技术工程设计和管理科学专业双学士学位。

Andrew Tamoney现任赛普拉斯数据通信业务部高级系统工程师。他自纽约特洛伊的伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)获得电子工程设计和计算机系统工程设计专业学士学位。

Karnik Shah现任赛普拉斯数据通信业务部高级应用工程师，负责为所有USB产品提供支持。他编写过众多《应用指南》，4年来还担任企业关键/复杂项目的技术支持联系人。他先后从印度古吉拉特邦市古吉拉特邦大学尼尔玛理工学院(Nirma Institute of Technology)和美国加州洛杉矶市南加州大学(University of Southern California)获得了电子和通讯工程设计学士学位和电子工程设计硕士学位。(end)