CMOS 相機(jī)成為嵌入式設(shè)備的重要組成部分分析

本文介紹了人機(jī)界面 (HMI) 應(yīng)用程序 3 部分系列的第二部分，即在嵌入式設(shè)備中應(yīng)用 CMOS 攝像頭。它概述了 CMOS 相機(jī)成為嵌入式設(shè)備的重要組成部分，以及從紅外傳感器變得值得升級的相機(jī)模塊。它還討論了攝像頭模塊部署和 RX 微控制器作為基本運(yùn)動檢測和安全監(jiān)控應(yīng)用選擇的技術(shù)障礙。

CMOS 相機(jī)正成為嵌入式設(shè)備的重要組成部分

隨著產(chǎn)量的增加和競爭壓力導(dǎo)致成本下降，CMOS 相機(jī)模塊在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中變得越來越普遍。隨著電視和其他家用電器中的節(jié)能攝像頭應(yīng)用以及多種商業(yè)和工業(yè)設(shè)備中增強(qiáng)型 HMI（人機(jī)界面）的進(jìn)一步推動，安全攝像頭的銷量不斷增加，制造量也在增長。

這種基于數(shù)碼攝影的電子趨勢為電子制造商在創(chuàng)造性解決問題方面的成功努力提供了重大獎勵。尋求新方法來增強(qiáng)產(chǎn)品功能和性能的系統(tǒng)工程團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，將攝像頭功能整合到他們的設(shè)計(jì)中可以為許多嵌入式設(shè)備增加可觀的價(jià)值。

特別是，CMOS 攝像頭模塊可以在 HMI 性能和功能方面實(shí)現(xiàn)令人興奮且重要的增益，適用于一系列快速擴(kuò)展的應(yīng)用（見圖 1）。對于應(yīng)用動作感應(yīng)技術(shù)的電子產(chǎn)品來說尤其如此。

現(xiàn)在變得司空見慣的基于 CMOS 攝像頭的嵌入式應(yīng)用的例子使這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨勢成為現(xiàn)實(shí)。安裝在空調(diào)系統(tǒng)中的攝像頭模塊通過實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的操作來節(jié)省資金。冰箱內(nèi)的模塊允許通過智能手機(jī)監(jiān)控內(nèi)部條件，從而在最大限度地保存儲存食物的同時(shí)節(jié)省能源。自動售貨機(jī)中的攝像頭可以收集詳細(xì)的消費(fèi)者使用數(shù)據(jù)，從而可以在日夜需求變化時(shí)更好地管理分發(fā)商品的庫存。

在安全設(shè)備和系統(tǒng)（目前是數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的最大市場）中，事實(shí)證明，相機(jī)模塊在幫助提高安全性和減少盜竊和欺詐方面非常有效。最后，許多企業(yè)正在使用 CMOS 攝像頭快速讀取二維碼并獲取其他產(chǎn)品管理信息，從而及時(shí)獲取提高運(yùn)營效率必不可少的數(shù)據(jù)。

相機(jī)模塊值得從紅外傳感器升級

顯然，向嵌入式系統(tǒng)添加攝像頭功能的設(shè)計(jì)趨勢是一個(gè)廣泛、深遠(yuǎn)和快速發(fā)展的趨勢。然而，并非沒有適用于許多情況的替代方案。

具體來說，紅外 (IR) 傳感器比相機(jī)便宜，而且它們對于檢測人體存在的基本功能同樣有效。但是，在許多情況下，它們具有顯著的性能限制。隨著系統(tǒng)性能要求的提高和其他傳感功能的需求，紅外傳感器變得完全不夠用。

重要的是，將嵌入式系統(tǒng)從 IR 傳感器升級到 CMOS 相機(jī)模塊的成本通?？梢酝ㄟ^以下幾個(gè)因素來降低：模塊生成更多更好數(shù)據(jù)的能力；他們在實(shí)施增強(qiáng)型 HMI 功能方面的優(yōu)勢；以及它們無需額外傳感器的能力，從而有助于降低總體材料成本。

在世界各地，實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”的嵌入式系統(tǒng)正在產(chǎn)生許多好處——有些出乎意料，但都受到歡迎。隨著這些電子設(shè)備在日常生活中變得越來越普遍，瑞薩電子預(yù)計(jì)對 CMOS 相機(jī)模塊的需求將猛增。

可以消除攝像頭模塊部署的技術(shù)障礙

在典型的嵌入式 CMOS 攝像頭安裝中，微控制器 (MCU) 或微處理器 (MPU) 接收來自攝像頭模塊的信號，然后根據(jù)應(yīng)用的特定要求顯示和處理生成的圖像。創(chuàng)建此過程的成功實(shí)現(xiàn)并不是一項(xiàng)微不足道的設(shè)計(jì)任務(wù)。

由于這個(gè) HMI 領(lǐng)域正在擴(kuò)大，在許多情況下，從事此類項(xiàng)目的系統(tǒng)工程師缺乏數(shù)碼相機(jī)的經(jīng)驗(yàn)。他們關(guān)心的設(shè)計(jì)問題包括： 是否需要高端 MCU/MPU？必須開發(fā)多少軟件？系統(tǒng)電源電路是否需要重新設(shè)計(jì)？等等。即使是以前有嵌入式相機(jī)經(jīng)驗(yàn)的工程師，也常常在尋找更簡單的方法來實(shí)施該技術(shù)，但不確定如何進(jìn)行。

應(yīng)用專家的技術(shù)援助對于將 HMI 概念轉(zhuǎn)化為成功的現(xiàn)實(shí)非常寶貴。幸運(yùn)的是，這種幫助很容易獲得。

本文的其余部分廣泛介紹了在各種嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中部署 CMOS 攝像頭模塊的開發(fā)解決方案。這些信息對首次從事此類項(xiàng)目的系統(tǒng)工程師以及尋求有關(guān)卓越設(shè)計(jì)方法的更新信息的人員都有幫助。

為補(bǔ)充本故事中的技術(shù)內(nèi)容和我們網(wǎng)站上的數(shù)據(jù)，瑞薩電子為客戶提供全球經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用工程師員工的大量專業(yè)知識。這些專業(yè)的問題解決者可以審查項(xiàng)目要求并推薦最適合實(shí)現(xiàn)特定技術(shù)目標(biāo)和目標(biāo)的 MCU/MPU 和評估環(huán)境。

RX 和 RZ/A1 滿足不同的應(yīng)用需求

為滿足客戶的系統(tǒng)規(guī)格的多樣化需求，瑞薩電子提供針對不同幀速率和圖像分辨率進(jìn)行優(yōu)化的嵌入式 CMOS 相機(jī)模塊。我們面向非密集型應(yīng)用的系統(tǒng)解決方案采用 RX 系列中易于使用的中檔 MCU：RX631 或 RX64M 設(shè)備。但是，我們針對必須提供更高性能視頻功能的應(yīng)用程序的系統(tǒng)解決方案在我們的 RZ 系列中應(yīng)用了高級 MPU，特別是 RZ/A1 系列中的設(shè)備，圍繞 CortexTM-A9 ARM? CPU 構(gòu)建的芯片（參見圖 2）。

圖 2 說明了功能要求（橫軸）和時(shí)鐘速度要求（縱軸）之間的關(guān)系，顯示了它們是如何一起上升的。也就是說，要提高輸入相機(jī)的分辨率（像素?cái)?shù)）和幀速率，必須使用更快的處理器。

RX MCU 的運(yùn)行速度高達(dá) 120 MHz。它們是實(shí)現(xiàn)圖像捕捉（用于運(yùn)動檢測、安全監(jiān)控等）等功能的理想選擇。RX MCU 也推薦用于二維條碼掃描和相對簡單的字符識別。

RZ/A1 系列中的高端 CPU 的運(yùn)行速度高達(dá) 400 MHz。它們可以輕松處理更復(fù)雜的面部和字符識別應(yīng)用所需的大量計(jì)算，以及手勢閱讀和其他復(fù)雜運(yùn)動檢測類型應(yīng)用所需的大量計(jì)算。

圖 2 還強(qiáng)調(diào)了這樣一個(gè)事實(shí)：隨著輸入相機(jī)分辨率（X 軸）的提高，需要更高的 CPU 吞吐量（通過更寬的總線寬度實(shí)現(xiàn)）。例如，中檔 RX MCU 足以用于 10 次捕獲/秒的 VGA 車輛日間行車記錄儀。不過，對于拍攝更高分辨率照片的夜間行車記錄儀來說，RZ MPU 可能是必要的。對于必須檢測快速移動物體的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，可能還需要 RZ MPU，因?yàn)殡娮釉O(shè)備必須能夠以快速幀速率處理圖像。

四種技術(shù)可用于檢測和分類運(yùn)動

運(yùn)動檢測應(yīng)用是 CMOS 相機(jī)模塊的主要市場。它們也是客戶期望特別高的領(lǐng)域。通常，系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求電子設(shè)備不僅要檢測運(yùn)動的存在，還要檢測運(yùn)動的類型。

運(yùn)動檢測通常使用四種算法方法之一來實(shí)現(xiàn)：時(shí)間差檢測、背景減法、模板匹配和光流檢測。這四種不同的算法如圖 3 所示，并在下面進(jìn)行了描述。

• 時(shí)間差異檢測
• 背景減法
• 模板匹配
• 光流

上述前三種算法——時(shí)間差異檢測、背景減法和模板匹配——使用相對簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算。因此，它們產(chǎn)生相對較低的處理負(fù)載。然而，它們不能很好地處理亮度波動和其他類型的噪聲，也不能很好地檢測快速移動的物體。

光流檢測方法提供更好的性能，但它對 CPU 的處理負(fù)載相對較高。

編輯：hfy