USB 3.0提升機器視覺效能

隨著影像感測器解析度和訊框速率越來越高，以及市場對於高解析(HD)影像的需求提升，機器視覺目前所面臨的瓶頸就是更高的頻寬需求。目前的系統只能在影像品質和壓縮比之間權衡折衷。更高的壓縮比可能會限制機器視覺系統的精確度和性能。

USB 3.0的頻寬達到了5.0Gbps，較目前使用的USB 2.0、IEEE 1394b、GigE和Camera Link等介面更大幅提升。更高的頻寬有助於設計人員提高影像解析度和訊框率，同時確保影像品質。設計人員無需壓縮影像，就能採用更小型的FPGA以及減少系統所需的記憶體數量，因而有助於降低BOM成本，縮減PCB面積以及降低功耗。

另一方面，受益於影像感測器的持續進展，機器視覺產業越來越廣泛地被應用於工業、醫療、監控、科學和製造應用等領域。

在機器視覺相機鏡頭中所採用的現有介面標準(GigE、IEEE 1394b和Camera Link)都分別提供了獨特的功能，但在權衡頻寬、封裝、成本和功耗等各方面的要求後，這些介面標準的確難以做到一體適用。在電腦運算和消費性產品市場中最常見的通用介面標準──USB 2.0雖然已在機器視覺市場佔有一席之地，但在頻寬方面仍無法趕上其它介面標準。而USB 3.0的到來可望改變這一切。

本文將探討機器視覺應用中採用USB 3.0的優勢，並分析建構USB 3.0相機鏡頭的關鍵設計考量。

USB 3.0的優點

*頻寬超越USB 2.0、IEEE 1394b和GigE

*只需一條線纜即可傳輸電力和數據

*建置成本低於Camera Link

*隨插即用，且較GigE更易於安裝

*獲國際自動成像協會(AIA)採用為USB3 Vision標準

提高頻寬

設計人員目前在機器視覺領域面臨的一大挑戰就是：如何跟上更高解析度和裀高訊框率影像感測器帶來不斷成長的數據速率要求。設計人員竭盡全力地在介面標準所提供的頻寬範圍內滿足所需的訊框大小和訊框率要求。但如果機器視覺相機鏡頭設計採用GigE介面，其解析度就會由於可用頻寬的影響而受限於120fps的VGA等級。而如果採用500萬畫素的影像感測器，其訊框速率就會要降低至5-10fps。

有些系統經由壓縮技術來解決頻寬不足的問題，以便能在較慢的介面上傳輸更高的解析度與訊框速率數據。但採用壓縮技術並不是最好的辦法，尤其是在機器視覺應用中更不宜採用壓縮，因為壓縮技術存在兩大不足：一是影像品質，二是設計空間。現代壓縮演算法的設計理念是使用漸進式刪除影像細節的方法來降低必要的位元率。

相較於消費性應用中人眼難以察覺影像細節遺失，透過機器視覺系統擷取的影像則交由影像分析軟體進行精確運算處理，因此，擷取到保留所有影像細節的原始數據格外重要。此外，機器視覺產品還日趨小型化，大多數機器視覺相機鏡頭支援一顆還不到1立方英吋大小的超精巧‘冰塊’。

然而，要支援壓縮技術，就需要更多的硬體，例如以FPGA進行編碼，用記憶體進行訊框緩衝等，從而增加了PCB佔位面積，終端產品的尺寸也增大了。此外，採用更多壓縮元件也會增加系統材料清單成本，使設計複雜化，因而明顯地增加更多設計工作，也延長了設計時間。

有了USB 3.0，設計人員就能擁有更高的頻寬：USB 3.0支援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的可用頻寬。USB 3.0繼續支援USB 2.0的大量和同步傳輸機制，因而能分別確保數據提供和頻寬。就同步傳輸而言，USB 3.0明顯地更加強化了：USB 3.0的傳輸速度從USB 2.0的24MBps提升到了384MBps，相當於USB 2.0的16倍。這一速度的提升，對於需要即時數據的應用更是受益匪淺。

有了更高的可用頻寬，USB 3.0無需壓縮，就能傳輸高解析度和高訊框速率視訊內容，且不損失畫質。因此，USB 3.0既不會影響影像品質，又有助於促進機器視覺相機鏡頭的進一步小型化。圖1顯示機器視覺相機中採用USB 3.0與其它介面標準時所提供可用頻寬的對比情況。在5Gbps數據速率情況下，USB 3.0支援更多不同的訊框大小和訊框速率，因而成為一種支援眾多不同應用的更具通用性的技術。

圖1：機器視覺中採用USB 3.0和通用介面標準的頻寬比較

(下一頁：機器視覺品質與消費者成本)

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