Возможности интерфейса USB 3.0 в системах машинного зрения

Машинное зрение — программно-аппаратные комплексы, использующие технологии компьютерного зрения для контроля самых разных производственных процессов и управления производственным оборудованием.

Машинное зрение призвано исключить необходимость ручного мониторинга. Так, на традиционном производстве за качеством выпускаемой продукции следят люди. В системах машинного зрения эту роль выполняют видеокамеры и специальное программное обеспечение.

Сегодня системы машинного зрения активно внедряются в самые разнообразные производственные процессы по всему миру. В настоящее время исследования в этой области ведутся в направлениях разработки CMOS-матриц, интеллектуальных камер, высокоскоростных интерфейсов, из которых наиболее перспективным представляется стандарт USB 3.0 Vision.

Стандарты USB

Безусловно, USB – это наиболее популярный и перспективный интерфейс, и не только в деле передачи видеосигналов. На современном рынке представлено более 10 миллиардов периферийных USB-устройств, и их количество растёт с каждым днём. Благодаря своей гибкости, простоте и относительной доступности, интерфейс USB давно по умолчанию используется как стандартный для подключения компьютерной периферии, включая клавиатуры, мыши, флеш-накопители, пользовательские веб-камеры. И передача видео высокого качества через USB – это всегда был только вопрос времени.

Повсеместному использованию USB в приложениях машинного зрения ранее мешала низкая пропускная способность и небольшая максимальная длина кабеля. Речь идёт о стандарте USB 2.0, который по производительности уступает интерфейсам FireWire, GigE Vision и Camera Link.

Кроме того, не было установлено единых требований к камерам с USB 2.0 для обеспечения совместимости между различным программным обеспечением и аппаратными компонентами. Следовательно, стандарт USB 2.0 потерпел поражение в том, чтобы занять на рынке машинного зрения какую-либо значимую долю.

Между тем, в 2008 году был представлен стандарт USB 3.0, также известный как SuperSpeed USB. Он удовлетворил спрос на более высокую пропускную способность USB-устройств. От стандарта предыдущего поколения USB 3.0 выгодно отличается следующим:

• В 10 раз быстрее пропускная скорость - 5 Гбит/сек
• Технология синхронизации Sync-N-Go для сокращения времени ожидания подключения
• Сокращение энергопотребления (потребляемое напряжение – всего 5В при 900 мА)
• Дуплексный способ связи (по одному USB каналу данные могут передаваться одновременно в обе стороны – от источника к ресиверу и наоборот)

Благодаря высокой пропускной способности, USB 3.0 способен передавать видео более высокого разрешения (в частности, 4K Ultra High Definition), более высокой частоты кадров и с большей глубиной цвета. К сожалению, увеличение пропускной способности не самым благоприятным образом отразилось на максимальной длине кабеля, сократив его всего до 3 м.

Собственно, длина кабеля – это единственное и к тому же вполне преодолимое препятствие, оставшееся между стандартом USB 3.0 и популяризацией этого интерфейса в профессиональных приложениях, требующих передачи видео высокого разрешения.

Также в 2013 году были утверждены спецификации для USB интерфейса следующего поколения – USB 3.1 с максимальной пропускной способностью 10 Гбит/сек. Между тем, очередное повышение пропускной способности «сократило» длину кабеля до 1 м. При кабеле длиной 2 м данные через интерфейс USB 3.1 будут передаваться со скоростью всё тех же 5 Гбит/сек, поэтому пока мы не рассматриваем этот интерфейс.

Cтандарты интерфейсов в системах машинного зрения

В настоящее время существует несколько стандартов для камер машинного зрения. Каждый стандарт имеет свои плюсы и минусы. Наиболее существенные показатели – это пропускная способность и значение FPS, определяющее время между захватами изображений.

Другие показатели, которые следует учитывать при подборе оптимального решения: необходимость наличия граббера – устройства захвата кадра, максимальная длина кабеля, ценовая категория оборудования.

В таблице 1 представлена сравнительная характеристика наиболее часто используемых в приложениях машинного зрения интерфейсов.

	USB 2.0	FireWire	GigE Vision	Camera Link	USB Vision	CoaxPress	Camera Link HD
Максимальная пропускная способность	480 Мбит/сек	800 Мбит/сек	1 Гбит/сек	2 Гбит/сек	5 Гбит/сек	6,25 Гбит/сек	16,8 Гбит/сек
FPS (для изображений 6 Мп 14 бит)	5 fps	9 fps	22 fps	13 fps	40 fps	70 fps	75 fps
Максимальная длина кабеля (без потери пропускной способсности)	5 м	10 м	100 м	10 м	3 м	35 м	10 м
Максимальное расстояние передачи данных при использовании удлинителей сигнала	100 м	500 м (fiber)	5 км (fiber SM)	10 м	100 м (fiber MM)	400 м (fiber MM)	5 км (fiber SM)
Требуется устройство захвата кадров	нет	нет	нет	да	нет	да	да
Ценовая категория	**	***	*	****	*	****	*****

Табл. 1. Сравнительная характеристика наиболее часто используемых в приложениях машинного зрения интерфейсов

Стандарты USB 2.0 и FireWire 800 являются относительно недорогими, но они не предназначены для использования в приложениях, требующих передачи видео высокого разрешения. Эти стандарты уже отходят на задний план, поскольку современная промышленность определяет высокие требования к чёткости видео. Наиболее часто используемые разрешения – 1080, 2K и 4K.

Стандарт GigE Vision, представленный AIA (Automated Imaging Association) в 2006 году, зарекомендовал себя как лидер, занимая более 50% рынка систем машинного зрения. Немаловажную роль в такой популярности сыграла максимальная длина кабеля (до 100 м) и при этом относительно высокая скорость передачи данных. Кроме того, решения на основе GigE Vision более доступны по стоимости.

Camera Link – это также детище AIA. Стандарт был анонсирован ещё в 2000 году. При более высокой пропускной способности длина кабеля ограничена расстоянием всего в 10 м. Между тем, подобная технология передачи видеосигнала требует наличия граббера, отвечающего за захват изображения. Граббер конвертирует видео с камеры в формат, обрабатываемый программным обеспечением хост-компьютера системы машинного зрения. Необходимость использования этого устройства способствует значительному удорожанию систем, работающих по стандарту Camera Link.

Стандарты CoaXPress и Camera Link HS отличаются ещё более впечатляющей пропускной способностью (6,25 и 16,8 Гбит/сек, соответственно), которая к тому же может быть увеличена посредством использования оптоволоконных кабелей. Но подобные системы также требуют наличия устройства видеозахвата, и поэтому они ещё более дорогие.

В настоящее время не существует единственного оптимального стандарта, которые мог бы решить любые задачи машинного зрения. Между тем, стандарт USB Vision, разработанный всё тем же AIA и работающий по интерфейсу 3.0, обладает таким потенциалом. Обеспечивая высокую пропускную способность, он является достойным соперником CoaXPress и Camera Link HS, при этом значительно выигрывает в стоимости реализации проекта, поскольку системы машинного зрения, построенные по стандарту USB Vision, не требуют наличия устройств захвата и конвертации видео.

Возможности удлинения сигнала USB 3.0

Единственной актуальной проблемой остаётся ограниченная длина кабеля, поскольку не во всех приложениях возможно расположение камер и хост-компьютера в непосредственной близости друг от друга. И современные технологии сосредоточены на том, чтобы решить эту проблему.

На самом деле, USB-удлинитель, работающий с интерфейсами стандарта 3.0 - продукт довольно редкий. Между тем, в настоящее время возможно удлинение USB сигнала на расстояния до 100 м (при использовании оптоволоконных USB-удлинителей (например, Icron USB 3.0 Spectra 3022), и до 15 м – при использовании удлинителя по витой паре (Icron USB 3.0 Spectra 3001-15).

Так что можно прийти к выводу, что вполне обосновано многие аналитики сходятся во мнении, что в ближайшее десятилетие стандарт USB 3.0 вытеснит FireWire и USB 2.0 и займёт второе место после GigE Vision.

---

У вас остались вопросы по теме? Позвоните по тел. +7 (495) 648 6741, мы с удовольствием ответим на все ваши вопросы.