在机器视觉应用中使用USB 3.0

　　对用于3D成像等应用的多摄摄像头系统而言，成本差异更为显著。由于单个USB主机能够支持多达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商用USB3.0集线器实现并行运行。不是所有的其它标准都提供这种灵活性。就Camera Link而言，每个摄像头需要配备一个额外的抓帧器。图2显示了USB 3.0与其它机器视觉标准的成本/可用带宽的对比情况。从图中可以看出，USB3.0的带宽明显比与其成本相当的IEEE1394b和GigE高得多，几乎可与成本是其3至4倍乃至更高的CameraLink的带宽相媲美。

　　实现USB 3.0摄像头

　　把摄像头集成到系统中需要一个从图像传感器读取数据并向图像传感器控制器发送控制信息的软件应用。这可以通过使用USB驱动程序来实现。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。但是UVC驱动程序存在几种局限性，并非机器视觉应用的理想选择。具体而言，UVC驱动程序只支持未经压缩的YUV格式(如YUY2和NV12)图像，这就限制了图像传感器的选择。由于图像传感器一般采集的是Bayer、RGB或单色图像，因此必须使用图像信号流水线(ISP)函数将原始图像数据转换为YUV格式。而这项工作需使用FPGA或通过主机上的软件应用在图像传感器完成。但对某些只生成纯Bayer和RGB数据，系统中无需额外的报头或ISP的高帧速或高分辨率摄像头而言，使用UVC驱动程序就不太恰当。因为UVC驱动程序原本是为消费类视频应用开发的，既不能满足机器视觉应用的高度定制化要求，也不能提供机器视觉应用可能需要的各种摄像头控制功能。

　　鉴于UVC存在的种种缺陷，机器视觉摄像头行业需要完全不同的设备类驱动程序或定制驱动程序解决方案。在使用定制驱动程序的情况下，设计人员可使用选择的图像传感器，专门为目标应用设计控制功能。虽然这提高了灵活性，增加了控制功能，但代价是延长了设计周期。

　　为避免这种设计延迟，国际自动成像协会(AIA)主要成员提议的新标准USB3 Vision正式制定并推出。USB Vision标准继续支持摄像头设备的基本识别、功能报告(如增益、亮度、伽马、图像分辨率、帧速等)以及通过批量管道或同步管道传输数据等UVC功能。USB3 Vision标准的不同之处在于它能够支持更多传输非YUV格式图像的传感器、更多摄像头控制功能，同时在应用层面兼容GenlCam等软件程序。我们的想法就是尽可能多地重复利用GigEVision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。USB3 Vision还允许定制驱动程序实现方案，以满足其硬件不支持全部特性和功能的厂商的需求。举例来说，如果硬件没有足够的代码空间来识别和存储所有的摄像头控制参数，USB主机上的定制驱动程序可以伪造这些参数，从而保持与现有软件应用的兼容性。

　　USB 3.0在当今机器视觉中的应用

　　目前有许多厂商现已开始提供USB 3.0机器视觉摄像头。最常见的设计由CMOS图像传感器和用于USB 3.0连接的赛普拉斯EZ-USB^® FX3™控制器这两大部分构成。根据目标应用，厂商然后可以对摄像头进行差异化设计，比如使用FPGA完成ISP和图像传感器接口转换，或是提供大容量帧缓冲器供成像处理或确保视频流的可靠性。图3是机器视觉系统的基本方框图。

　　赛普拉斯的FX3采用可配置通用可编程接口(GPIF II)，可让FX3与任何FPGA或图像传感器直接相连，提供高达400MBps的数据传输速率。此外，FX3还采用配备512KB RAM的200MHz ARM9处理器，以处理高速传输的实时成像数据。ARM9内核负责管理USB 3.0协议栈，可根据需要编程为USB视频类(UVC)摄摄像头、USB3 Vision摄摄像头或者厂商定制的摄像头。

　　USB 3.0：为机器视觉的未来发展铺平了道路

　　机器视觉对高带宽、低功耗和低成本接口的需求比以往更加迫切。在今年的VISION展会上，几乎每一家机器视觉摄像头供应商要么在展会上推出自己的USB 3.0产品，要么正在积极设计USB 3.0产品。机器视觉供应商对USB3.0的广泛支持充分说明采用USB3.0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，USB3.0的问世明显标志着未来机器视觉接口技术的重大转变。