機器視覺采用USB 3.0
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就3D成像等采用多攝像頭系統(tǒng)的應用而言，成本差異就更加明顯了。既然一個USB主機能支持多達255個設(shè)備，因此多個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集線器實現(xiàn)并行運行。不是所有其它標準都能提供這樣的靈活性。就Camera Link而言，則需要為每個攝像頭提供一個額外的抓幀器。圖2顯示了USB 3.0與其它機器視覺標準的成本及可用帶寬的對比情況。從圖中可以看出，USB 3.0的帶寬明顯比與其成本相當?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：幾款同類競爭機器視覺標準的成本及帶寬對比
在系統(tǒng)中集成攝像頭需要軟件應用讀取圖像感應器中的數(shù)據(jù)并發(fā)送控制信息到圖像感應器控制器。這可通過采用USB驅(qū)動器來完成。視頻攝像頭現(xiàn)成可用的標準USB驅(qū)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(shè)備，而且像PC網(wǎng)絡(luò)攝像頭一樣廣泛用于視頻捕獲應用。不過，UVC驅(qū)動器存在一些限制，對機器視覺應用來說并不理想，尤其是UVC驅(qū)動器只支持非壓縮YUV格式(如YUY2和NV12)的圖像，這就限制了圖像感應器的選擇范圍。由于圖像感應器通常捕獲的是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在圖像感應器上或通過軟件在PC主機上完成上述工作。但這對某些生成原始Bayer和RGB數(shù)據(jù)、系統(tǒng)中又不需要額外報頭或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)動器最初是針對消費類視頻應用而設(shè)計的，因此不支持機器視覺應用所需的高度定制功能，同時也不能提供機器視覺應用可能需要的各種攝像頭控制特性。
鑒于UVC的種種缺陷，機器視覺攝像頭產(chǎn)業(yè)需要一種完全不同的設(shè)備類型或定制驅(qū)動器解決方案。采用定制驅(qū)動器，設(shè)計人員能選擇自己喜歡的圖像感應器，并針對目標應用專門設(shè)計控制特性。但是，要提高靈活性，增加控制特性，就需要更長的設(shè)計周期。
為了避免這種延遲，國際自動成像協(xié)會(AIA)已經(jīng)根據(jù)領(lǐng)先成員的提議制定了一種新的標準USB3 Vision。根據(jù)USB3 Vision標準，攝像頭設(shè)備的基本發(fā)現(xiàn)、功能報告(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器、更多攝像頭控制特性以及GenICam等軟件程序的應用層兼容性。我們的想法就是盡可能多地重復利用GigE Vision和CoaXPress等現(xiàn)有標準的模塊，讓設(shè)計人員采用自己熟悉的方法，更輕松地進行開發(fā)。這便于廠商和設(shè)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。
USB 3.0 Vision還支持自定義驅(qū)動器實施方案，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)和存儲所有攝像頭控制參數(shù)，那么USB主機上的定制驅(qū)動器會拋棄這些因素，從而保持與現(xiàn)有軟件應用的兼容性。
當前機器視覺領(lǐng)域中的USB 3.0
目前已有許多廠商推出USB 3.0機器視覺攝像頭。最常見的設(shè)計包含一個CMOS圖像感應器和一個用于USB 3.0連接的賽普拉斯EZ-USB? FX3控制器。根據(jù)目標應用的不同，廠商可對其攝像頭進行差異化設(shè)計，如利用FPGA實現(xiàn)ISP和圖像感應器接口轉(zhuǎn)換，或采用較大容量的幀緩沖器進行影像處理或確保視頻流可靠傳輸。圖3顯示了機器視覺系統(tǒng)的基本方框圖。
圖3：采用賽普拉斯FX3的機器視覺設(shè)計
USB 3.0：為機器視覺未來發(fā)展鋪平道路
機器視覺對高帶寬、低功耗和低成本接口的需求比以往更突出。在今年的VISION展會上，幾乎每一家機器視覺攝像頭供應商都推出了一款USB 3.0產(chǎn)品或正在積極設(shè)計該產(chǎn)品。機器視覺供應商對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標準的制定，USB 3.0的問世明顯標志著未來機器視覺接口技術(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(University of Waterloo)獲得納米技術(shù)工程設(shè)計和管理科學專業(yè)雙學士學位。
Andrew Tamoney現(xiàn)任賽普拉斯數(shù)據(jù)通信業(yè)務部高級系統(tǒng)工程師。他自紐約特洛伊的倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)獲得電子工程設(shè)計和計算機系統(tǒng)工程設(shè)計專業(yè)學士學位。
Karnik Shah現(xiàn)任賽普拉斯數(shù)據(jù)通信業(yè)務部高級應用工程師，負責為所有USB產(chǎn)品提供支持。他編寫過眾多《應用指南》，4年來還擔任企業(yè)關(guān)鍵/復雜項目的技術(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尼爾瑪理工學院(Nirma Institute of Technology)和美國加州洛杉磯市南加州大學(University of Southern California)獲得了電子和通訊工程設(shè)計學士學位和電子工程設(shè)計碩士學位。(end)
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