基于賽普拉斯USB 30攝像頭的實現(xiàn)

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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，特別是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)器尋常捕獲的是Bayer、RGB或單色圖像，因此必需通過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的高幀速率或高分辯率攝像頭而言不是好事。

由于UVC驅(qū)動器最初是針對消費類視頻應(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)USB3Vision。根據(jù)USB3Vision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)、圖像分辯率、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。

USB3Vision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GigEVision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協(xié)同使用。

USB3.0Vision還支持自定義驅(qū)動器實施方案，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，假使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USB3.0

目前已有大量廠商推出USB3.0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USB3.0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(GPIFII)，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400MBps的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，F(xiàn)X3采用一個帶有512KBRAM的200MHzARM9處理器，確?？焖賯鬏攲崟r圖像數(shù)據(jù)。ARM9內(nèi)核負(fù)責(zé)管理USB3.0協(xié)議棧，經(jīng)過編程可根據(jù)需要用作USB視頻類型(UVC)、USB3Vision或廠商定義的攝像頭。

USB3.0：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USB3.0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USB3.0的廣泛支持充分說明采用USB3