USB 3.0提升機器視覺效能

機器視覺品質與消費者成本

建置USB 3.0機器視覺系統的整體成本遠遠低於建置GigE和IEEE 1394b的成本，也較Camera Link更低。隨著USB 3.0被消費者不斷推廣採用，成本還將持續降低。目前銷售的PC中有九成已經內建USB 3.0介面了，消費者無需為之支付額外費用。USB 3.0連接器和纜線等元件一應俱全。此外，USB 3.0纜線能提供4.5W的功率，足以為機器視覺相機供電，而無需額外電源。

就3D成像等採用多相機系統的應用而言，成本差異就更加明顯了。既然一個USB主機能支援多達255個設備，因此多個USB 3.0相機就能在一根匯流排上透過低成本和商用USB 3.0集線器實現平行執行。不是所有其它標準都能提供這樣的靈活性。就Camera Link而言，則需要為每台相機鏡頭提供一個額外的訊框擷取器。圖2顯示了USB 3.0與其它機器視覺標準的成本及可用頻寬的比較。從圖中可以看出，USB 3.0的頻寬明顯比與其成本相當的IEEE 1394b和GigE高得多，幾乎可與成本是其3至4倍甚至更高的Camera Link的頻寬相媲美。

圖2：幾款同類競爭機器視覺標準的成本及頻寬對比

建置USB 3.0機器視覺相機

在系統中整合相機需要軟體應用讀取影像感測器中的數據，並發送控制資訊到影像感測控制器。這可透過採用USB驅動器來完成。視訊相機現成可用的標準USB驅動器基於USB 視訊類型(UVC)。它是一款相容所有PC的隨插即用設備，而且像PC網路相機一樣廣泛用於視訊擷取應用。不過，UVC驅動器存在一些限制，對機器視覺應用來說並不理想，尤其是UVC驅動器只支援非壓縮YUV格式(如YUY2和NV12)的影像，這就限制了影像感測器的選擇範圍。由於影像感測器通常擷取的是Bayer、RGB或單色影像，因此必須透過ISP(影像訊號處理管線)函數將原始影像數據轉換為YUV格式的影像。我們可用FPGA在影像感測器上或透過軟體在PC主機上完成上述工作。但這對某些產生原始Bayer和RGB數據以及系統中不需要額外標頭或ISP的高訊框速率或高解析度相機鏡頭而言不是好事。

由於UVC驅動器最初是針對消費性視訊應用而設計，因此不支援機器視覺應用所需的高度定製功能，同時也不能提供機器視覺應用可能需要的各種相機控制特性。

鑒於UVC的種種缺陷，機器視覺相機產業需要一種完全不同的設備類型或定製驅動器解決方案。採用定製驅動器，設計人員能選擇自己喜歡的影像感測器，並針對目標應用專門設計控制特性。但是，要提高靈活性，增加控制特性，就需要更長的設計週期。

為了避免這種延遲，國際自動成像協會(AIA)已經根據原始成員的提議制訂了一種新的標準USB3 Vision。根據USB3 Vision標準，相機設備的基本發現、功能報告(如增益、亮度、灰度係數、影像解析度、訊框速率等)以及UVC通過批量或同步管道傳輸數據流等功能保持不變。

USB3 Vision的差異性在於其能支援更多傳輸非YUV格式影像的影像感測器、更多相機鏡頭控制特性以及GenICam等軟體程式的應用層相容性。盡可能多地重覆利用GigE Vision和CoaXPress等現有標準的模組，讓設計人員採用自己熟悉的方法，更輕鬆地進行開發。這便於廠商和設計人員將同樣的軟體前端與使用USB3.0的最快速的硬體後端配合使用。

圖3：採用CypressFX3的機器視覺設計

USB3Vision還支援自定義驅動器建置方案，以滿足無法在硬體中支援全部特性與功能的廠商需求。舉例來說，如果硬體沒有足夠的程式碼空間來發現和儲存所有相機鏡頭控制參數，那麼USB主機上的定製驅動器會棄置這些因素，從而保持與現有軟體應用的相容性。

現代機器視覺領域的USB 3.0

目前已有許多廠商推出USB 3.0機器視覺相機。最常見的設計包含一個CMOS影像感測器和一個用於USB 3.0連接的CypressEZ-USB FX3控制器。根據目標應用的不同，廠商可對其相機進行差異化設計，如利用FPGA實現ISP和影像感測器介面轉換，或採用較大容量的訊框緩衝器進行影像處理或確保視訊串流可靠傳輸。圖3顯示了機器視覺系統的基本方塊圖。

FX3配備了可配置的通用可程式介面(GPIF II)，使FX3不僅能夠直接連接至任何FPGA或影像感測器，而且還可提供400MBps的數據傳輸速率。此外，FX3採用一個具有512 KBRAM的200MHz ARM9處理器，確保快速傳輸即時影像數據。ARM9核心負責管理USB 3.0協議堆疊，經過編程可根據需要作為USB視訊類型(UVC)、USB3 Vision或廠商定義的相機鏡頭。

USB 3.0：為機器視覺的未來鋪路

機器視覺對於高頻寬、低功耗和低成本介面的需求更甚於過去。在今年的VISION展會上，幾乎每一家機器視覺相機供應商都推出了一款USB 3.0產品或正積極設計該產品。機器視覺供應商對USB 3.0的廣泛支援充分顯示了採用USB 3.0能夠實現高品質視訊、低功耗和低成本。隨著最新USB3 Vision標準的制訂，USB 3.0的問世明顯標誌著未來機器視覺介面技術的轉變。

(參考原文：Leverage USB 3.0 for machine vision，by Steven Chen、Karnik Shah、Andrew Tamoney)

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