USB 3.0接口技術(shù)在機(jī)器視覺中的應(yīng)用研究

作者：Steven Chen，Andrew Tamoney，Karnik Shah

鑒于圖像傳感器分辨率和幀速率的提高以及市場對高清影像需求的增長，目前機(jī)器視覺面臨的瓶頸就是更高的帶寬需求。當(dāng)前系統(tǒng)只能在圖像質(zhì)量和壓縮比之間進(jìn)行折中。更高的壓縮比會限制機(jī)器視覺系統(tǒng)的精確度和性能。

USB 3.0的帶寬達(dá)到5.0 Gbps，相對于當(dāng)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(shè)計人員提高圖像分辨率和幀率，同時保證圖像質(zhì)量。設(shè)計人員無需壓縮，能采用更小型的FPGA并減少系統(tǒng)所需的存儲器數(shù)量，這有助于降低BOM成本，縮減PCB面積，降低功耗。

近期，全球領(lǐng)先的機(jī)器視覺行業(yè)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(shù)量達(dá)到新高。機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)受益于圖像感應(yīng)器的持續(xù)改進(jìn)，被日益推廣用于工業(yè)、醫(yī)療、監(jiān)控、科學(xué)和制造應(yīng)用等領(lǐng)域。

機(jī)器視覺攝像頭所采用的現(xiàn)有接口標(biāo)準(zhǔn)（GigE、IEEE 1394b和Camera Link）分別支持獨(dú)特的功能，但這些接口標(biāo)準(zhǔn)要權(quán)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(fèi)類產(chǎn)品市場中最常見的通用接口標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0雖然在機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。而USB 3.0的到來改變了這一切。

本文將探討機(jī)器視覺應(yīng)用中采用USB 3.0的優(yōu)勢，并分析構(gòu)建USB 3.0攝像頭的關(guān)鍵設(shè)計考慮事項(xiàng)。

USB 3.0的優(yōu)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(shù)據(jù)

* 3. 實(shí)施成本低于Camera Link

* 5. 即插即用，且比GigE更易于設(shè)置

* 6. 已作為USB3 Vision標(biāo)準(zhǔn)被國際自動成像協(xié)會（AIA）采用

提高帶寬

設(shè)計人員目前在機(jī)器視覺領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)就是：如何跟上高分辨率和高幀率圖像感應(yīng)器所帶來的不斷增長的數(shù)據(jù)速率要求。設(shè)計人員竭盡全力在接口標(biāo)準(zhǔn)所能提供的帶寬范圍內(nèi)滿足所需的幀大小和幀率要求。設(shè)想一下，如果機(jī)器視覺攝像頭設(shè)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(yīng)器，幀速率就要降到可憐的5-10fps。

一些系統(tǒng)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(shù)據(jù)。但是，我們并不傾向于采用壓縮技術(shù)，尤其是在機(jī)器視覺應(yīng)用中更不宜采用壓縮，因?yàn)閴嚎s存在兩大不足：一是圖像質(zhì)量，二是設(shè)計緊湊性。最新壓縮算法的設(shè)計理念是使用漸進(jìn)刪除圖像細(xì)節(jié)的方法來降低必要的比特率。

與消費(fèi)類應(yīng)用不同的是：消費(fèi)類應(yīng)用中，因?yàn)槿搜垭y以覺察，所以大多數(shù)圖像細(xì)節(jié)可以丟失，但是機(jī)器視覺系統(tǒng)捕獲的圖像則要由圖像分析軟件進(jìn)行精確計算處理，因此，我們就必須捕獲到保留所有圖像細(xì)節(jié)的原始數(shù)據(jù)。此外，機(jī)器視覺產(chǎn)品還日趨小型化，大多數(shù)機(jī)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(shù)，就需要更多的硬件，比方說需要FPGA進(jìn)行編碼，用存儲器進(jìn)行幀緩沖等，這樣這就會增加PCB占位面積，進(jìn)而使最終產(chǎn)品尺寸增大。此外，采用更多壓縮組件也會增加系統(tǒng)材料清單成本，使設(shè)計復(fù)雜化，同時也會明顯增加設(shè)計工作，大幅延長設(shè)計時間。

有了USB 3.0，設(shè)計人員就能擁有更高的帶寬：USB 3.0支持5Gbps的高數(shù)據(jù)速率，是USB 2.0（480Mbps）的10倍之多。經(jīng)過8b/10b編碼，USB 3.0能為數(shù)據(jù)提供4Gbps的可用帶寬。USB 3.0繼續(xù)支持USB 2.0的批量和同步傳輸機(jī)制，從而能分別確保數(shù)據(jù)交付和帶寬。就同步傳輸而言，USB 3.0得到顯著增強(qiáng)：USB 3.0的傳輸速度從USB 2.0的24MBps提升到了384MBps，相當(dāng)于USB 2.0的16倍。需要實(shí)時數(shù)據(jù)的應(yīng)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(nèi)容，且不損失畫質(zhì)。因此，USB 3.0既不會影響圖像質(zhì)量，又有助于促進(jìn)機(jī)器視覺攝像頭的進(jìn)一步小型化。圖1給出了機(jī)器視覺攝像頭中采用USB 3.0與其它接口標(biāo)準(zhǔn)時所提供的可用帶寬的對比情況。在5Gbps數(shù)據(jù)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(yīng)用的更具通用性的技術(shù)。

圖1：當(dāng)前機(jī)器視覺中采用USB 3.0和常見接口標(biāo)準(zhǔn)的帶寬對比。

機(jī)器視覺的質(zhì)量和消費(fèi)者成本

實(shí)施USB 3.0機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體系統(tǒng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)施GigE和IEEE 1394b的成本，更低于Camera Link。隨著USB 3.0被消費(fèi)者不斷推廣采用，成本還將持續(xù)降低。目前銷售的PC有九成已經(jīng)內(nèi)置了USB 3.0接口，消費(fèi)者無需為之支付額外費(fèi)用。USB 3.0連接器和線纜等組件一應(yīng)俱全。此外，USB 3.0線纜能提供4.5W的功率，足以為機(jī)器視覺攝像頭供電，無需額外電源。

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USB主機(jī)能支持多達(dá)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(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(jī)器視覺標(biāo)準(zhǔn)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(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：幾款同類競爭機(jī)器視覺標(biāo)準(zhǔn)的成本及帶寬對比。

USB 3.0攝像頭的實(shí)施

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)動器來完成。視頻攝像頭現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。不過，UVC驅(qū)動器存在一些限制，對機(jī)器視覺應(yīng)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(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(fèi)類視頻應(yīng)用而設(shè)計的，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(yīng)器，并針對目標(biāo)應(yīng)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(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(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)和存儲所有攝像頭控制參數(shù)，那么USB主機(jī)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(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)計包含一個CMOS圖像感應(yīng)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(biāo)應(yīng)用的不同，廠商可對其攝像頭進(jìn)行差異化設(shè)計，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。

FX3配備了可配置的通用可編程接口（GPIF II），使FX3不僅能夠直接連接至任何FPGA或圖像感應(yīng)器，而且還可提供400 MBps的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，F(xiàn)X3采用一個帶有512 KBRAM的200 MHz ARM9處理器，確保快速傳輸實(shí)時圖像數(shù)據(jù)。ARM9內(nèi)核負(fù)責(zé)管理USB 3.0協(xié)議棧，經(jīng)過編程可根據(jù)需要用作USB視頻類型（UVC）、USB3 Vision或廠商定義的攝像頭。

USB 3.0：為機(jī)器視覺未來發(fā)展鋪平道路

機(jī)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(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)計該產(chǎn)品。機(jī)器視覺供應(yīng)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(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。

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