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
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)
主動式USB3.0延伸線與光纖型USB3.0延伸器，解決USB3.0距離限制
機器視覺介面 USB 3.0後勢看漲
工業4.0帶動自動化市場成長，作為自動化製造系統重要環節的機器視覺，近年來技術也不斷翻新，包括解析度、傳輸介面等，都有大幅度變化，專注於USB介面的工業相機大廠IDS，近年來市場布局速度加快，大陸總代理皕像科技總經理王鵬指出，由於穩定度快速提升，再加上熱插拔的便利優勢，USB介面在工業相機的優勢逐漸加深，未來可望成為此領域的主流傳輸技術。
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| 工業4.0帶動自動化市場成長，作為自動化製造系統重要環節的機器視覺，近年來技術也不斷翻新。 |
王鵬指出，當工業相機市場仍以IEEE 1394、CCD為主流傳輸介面與影像感測器池時，IDS就鎖定USB與CMOS為企業主要技術，時至今日，CMOS技術已然成為業界影像處理主流，USB 3.0也可與GigE分庭抗禮，這證明當初IDS做出正確的選擇，他認為，隨著USB技術的進展，未來此技術將超越GigE，成為工業相機的主流介面。
與GigE相較，USB在工業相機的優勢在於供電、熱插拔、高頻寬等特色，現行的GigE要供電工業相機時，必須有PoE設計，然而這必然要支付更多成本，而USB直接透過供電傳輸介面已行之有年，在設計的便利性與成本面，都更有優勢，另外熱插拔也讓工控系統更便利，當設備的介面接頭脫落時，GigE需要重啟主程式，系統方能重新連線，USB只需將接頭再次接回即可，在頻寬部分，過去USB 2.0的最高頻寬只有480Mbps，遠不如GigE，不過USB 3.0問世後，高達5Gbps的頻寬，已超越GigE，在此態勢下，USB在機器視覺領域的應用後視相當可期。
USB與COMS躍居主流
過去USB多應用於消費性產品端，多數工控業者對USB的穩定性有所質疑，不過隨著規範漸趨嚴謹，且USB3.0針對工業相機應用的標準版本USB3 Vision，也已被國際自動成像協會(AIA)採用，因此穩定性不足的問題已被解決，至於傳輸長度不如GigE，王鵬表示，IDS已推出可與光纖介接的技術，延長其傳輸距離。
影像處理技術部分，CMOS過去為人詬病之處，是與CCD相比，其解析度過低且雜訊過多，不過相關業者的努力下，這兩個缺點都已被克服，再搭配CMOS原有的高整合性優勢，CMOS已然成為機器視覺的主流，從Sony宣布停產CCD產線就可看出，CMOS時代已然來臨。
王鵬坦承，相較於其他工業相機廠商，IDS進入大中華區的腳步較慢，不過IDS在USB 2.0時代就已全力投入USB在機器視覺的研發，技術深度將是該公司的絕佳優勢，目前IDS在大陸除了工控領域外，其他產業如海關出入境臉部辨識、智慧醫療、智慧農業等也多有應用，未來在中國與台灣都將持續強化此一優勢。
Reference: https://smartauto.ctimes.com.tw/DispNews-tw.asp?O=1611091632A3
機器視覺採用USB 3.0
鑒於圖像傳感器解析度和幀速率的提高以及市場對高清影像需求的增長，目前機器視覺面臨的瓶頸就是更高的帶寬需求。當前系統只能在圖像質量和壓縮比之間進行折中。更高的壓縮比會限制機器視覺系統的精確度和性能。
USB 3.0的帶寬達到5.0 Gbps，相對於當前使用的接口如USB 2.0、IEEE 1394b、GigE和Camera Link等有所提升。更高的帶寬能幫助設計人員提高圖像解析度和幀率，同時保證圖像質量。設計人員無需壓縮，能採用更小型的FPGA並減少系統所需的存儲器數量，這有助於降低BOM成本，縮減PCB面積，降低功耗。
近期，全球領先的機器視覺行業展會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，數量達到新高。機器視覺產業受益於圖像感應器的持續改進，被日益推廣用於工業、醫療、監控、科學和製造應用等領域。
機器視覺攝像頭所採用的現有接口標準(GigE、IEEE 1394b和Camera Link)分別支持獨特的功能，但這些接口標準要權衡帶寬、封裝、成本和功耗等各方面的要求，難以做到一勞永逸。計算和消費類產品市場中最常見的通用接口標準USB 2.0雖然在機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準。而USB 3.0的到來改變了這一切。
本文將探討機器視覺應用中採用USB 3.0的優勢，並分析構建USB 3.0攝像頭的關鍵設計考慮事項。
USB 3.0的優勢
* 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據
* 3. 實施成本低於Camera Link
* 4. 即插即用，且比GigE更易於設置
* 5. 已作為USB3 Vision標準被國際自動成像協會(AIA)採用
提高帶寬
設計人員目前在機器視覺領域面臨的一大挑戰就是：如何跟上高解析度和高幀率圖像感應器所帶來的不斷增長的數據速率要求。設計人員竭盡全力在接口標準所能提供的帶寬範圍內滿足所需的幀大小和幀率要求。設想一下，如果機器視覺攝像頭設計採用GigE接口，其解析度就會由於可用帶寬的影響限於120fps的VGA級別。如果採用500萬像素的圖像感應器，幀速率就要降到可憐的5-10fps。
一些系統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解析度及幀速率數據。但是，我們並不傾向於採用壓縮技術，尤其是在機器視覺應用中更不宜採用壓縮，因為壓縮存在兩大不足：一是圖像質量，二是設計緊湊性。最新壓縮算法的設計理念是使用漸進刪除圖像細節的方法來降低必要的比特率。
與消費類應用不同的是：消費類應用中，因為人眼難以覺察，所以大多數圖像細節可以丟失，但是機器視覺系統捕獲的圖像則要由圖像分析軟體進行精確計算處理，因此，我們就必須捕獲到保留所有圖像細節的原始數據。此外，機器視覺產品還日趨小型化，大多數機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，就需要更多的硬體，比方說需要FPGA進行編碼，用存儲器進行幀緩衝等，這樣這就會增加PCB占位面積，進而使最終產品尺寸增大。此外，採用更多壓縮組件也會增加系統材料清單成本，使設計複雜化，同時也會明顯增加設計工作，大幅延長設計時間。
有了USB 3.0，設計人員就能擁有更高的帶寬：USB 3.0支持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的可用帶寬。USB 3.0繼續支持USB 2.0的批量和同步傳輸機制，從而能分別確保數據交付和帶寬。就同步傳輸而言，USB 3.0得到顯著增強：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。需要實時數據的應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，就能傳輸高解析度和高幀速率視頻內容，且不損失畫質。因此，USB 3.0既不會影響圖像質量，又有助於促進機器視覺攝像頭的進一步小型化。圖1給出了機器視覺攝像頭中採用USB 3.0與其它接口標準時所提供的可用帶寬的對比情況。在5Gbps數據速率情況下，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用的更具通用性的技術。
實施USB 3.0機器視覺系統的整體系統成本遠遠低於實施GigE和IEEE 1394b的成本，更低於Camera Link。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有九成已經內置了USB 3.0接口，消費者無需為之支付額外費用。USB 3.0連接器和線纜等組件一應俱全。此外，USB 3.0線纜能提供4.5W的功率，足以為機器視覺攝像頭供電，無需額外電源。 就3D成像等採用多攝像頭系統的應用而言，成本差異就更加明顯了。既然一個USB主機能支持多達255個設備，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集線器實現並行運行。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的IEEE 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。
在系統中集成攝像頭需要軟體應用讀取圖像感應器中的數據並發送控制信息到圖像感應器控制器。這可通過採用USB驅動器來完成。視頻攝像頭現成可用的標準USB驅動器基於USB 視頻類型(UVC)。它是一款兼容所有PC的即插即用設備，而且像PC網絡攝像頭一樣廣泛用於視頻捕獲應用。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範圍。由於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)函數將原始圖像數據轉換為YUV格式的圖像。我們可用FPGA在圖像感應器上或通過軟體在PC主機上完成上述工作。但這對某些生成原始Bayer和RGB數據、系統中又不需要額外報頭或ISP的高幀速率或高解析度攝像頭而言不是好事。
由於UVC驅動器最初是針對消費類視頻應用而設計的，因此不支持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攝像頭控制特性。
鑒於UVC的種種缺陷，機器視覺攝像頭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圖像感應器，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，就需要更長的設計周期。
為了避免這種延遲，國際自動成像協會(AIA)已經根據領先成員的提議制定了一種新的標準USB3 Vision。根據USB3 Vision標準，攝像頭設備的基本發現、功能報告(如增益、亮度、灰度係數、圖像解析度、幀速率等)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等軟體程序的應用層兼容性。我們的想法就是儘可能多地重複利用GigE Vision和CoaXPress等現有標準的模塊，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。
USB 3.0 Vision還支持自定義驅動器實施方案，以滿足那些無法在硬體中支持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代碼空間來發現和存儲所有攝像頭控制參數，那麼USB主機上的定製驅動器會拋棄這些因素，從而保持與現有軟體應用的兼容性。
當前機器視覺領域中的USB 3.0
目前已有許多廠商推出USB 3.0機器視覺攝像頭。最常見的設計包含一個CMOS圖像感應器和一個用於USB 3.0連接的賽普拉斯EZ-USB? FX3控制器。根據目標應用的不同，廠商可對其攝像頭進行差異化設計，如利用FPGA實現ISP和圖像感應器接口轉換，或採用較大容量的幀緩衝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的基本方框圖。
USB 3.0：為機器視覺未來發展鋪平道路
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產品或正在積極設計該產品。機器視覺供應商對USB 3.0的廣泛支持充分說明採用USB 3.0能夠實現高質量視頻、低功耗和低成本。隨著最新USB3 Vision標準的制定，USB 3.0的問世明顯標誌著未來機器視覺接口技術的重大轉變。
Reference：https://read01.com/nmM0A3.html
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