嵌入式視覺系統(tǒng)基本概念以及傳感器的選擇

隨著處理效能、內(nèi)存密度和系統(tǒng)整合度的提升，嵌入式視覺從傳統(tǒng)逐漸擴(kuò)增到新興應(yīng)用領(lǐng)域，市場規(guī)模在十年內(nèi)必有顯著增長。而伴隨著應(yīng)用領(lǐng)域越來越多元，影像傳感器系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)，所需考慮的面向也變得更加復(fù)雜。

視覺系統(tǒng)在各個(gè)產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用領(lǐng)域中日益普及，甚至每天攜帶的智能型手機(jī)即嵌入式視覺系統(tǒng)的一個(gè)例子。這些裝置不僅能夠從事影像捕捉和影像錄制，還能執(zhí)行擴(kuò)增虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。由此可知嵌入式視覺技術(shù)有相當(dāng)高的接受度。

隨著處理效能、內(nèi)存密度和系統(tǒng)整合度的提升，嵌入式視覺從傳統(tǒng)逐漸擴(kuò)增到新興應(yīng)用領(lǐng)域（圖1）。這使得嵌入式視覺在消費(fèi)者、產(chǎn)業(yè)和政府間被廣泛地接受，十年內(nèi)必有顯著增長。

圖1　常見的嵌入式視覺應(yīng)用。

表1列出了一些嵌入式視覺崛起中的領(lǐng)域，其中有一些顯而易見，有些則不是很明顯。

嵌入式視覺之基本概念

所謂嵌入式視覺系統(tǒng)包含從所選的影像傳感器接收光子到系統(tǒng)輸出的整個(gè)訊號(hào)鏈。從接收端的影像中擷取處理或未處理的影像或信息，并提供予下游系統(tǒng)，而嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)師則負(fù)責(zé)根據(jù)系統(tǒng)要求確保接收到輸出過程的效能。

因此，嵌入式視覺系統(tǒng)架構(gòu)師須要熟悉與傳感器和后處理系統(tǒng)相關(guān)的各種概念和技術(shù)。本文專為入門之專業(yè)人士設(shè)計(jì)，旨在讓讀者對(duì)此技術(shù)和概念有一個(gè)基本了解。

首先，我們必須熟悉電磁波譜及期望系統(tǒng)運(yùn)行的光譜域，因?yàn)槿庋劭杀孀R(shí)的范圍僅390nm（藍(lán)光）至700nm（紅光）波長間的光譜，亦為可見光譜；而根據(jù)選用影像設(shè)備的不同，我們卻能捕獲到更廣泛的波長影像包括X光、紫外線、紅外線，以及可見光譜。

針對(duì)近紅外光及以下的光譜范圍，我們可以選用電荷耦合組件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS1）影像傳感器（CIS）；到了紅外光譜范圍，則須使用專用的紅外光檢測器。紅外光譜之所以需要專用的傳感器，部分原因在于芯片影像傳感器如CCD或CIS需要激發(fā)能。這些組件通常需要1eV的光子能量來激發(fā)一個(gè)電子，然而在紅外光譜范圍，光子能量介于1.7eV至1.24meV之間，因此紅外影像傳感器應(yīng)基于HgCdTe或InSb。這些低激發(fā)能的傳感器，經(jīng)常與CMOS的讀取IC（ROIC）配合使用，以利傳感器的控制與讀取。

最常見的兩種傳感器技術(shù)分別是CCD 和CIS：

．電荷耦合組件（CCD）被視為最好的仿真組件，因此若需與數(shù)字系統(tǒng)整合，就需要在一定的模擬電壓下外加ADC及頻率生成功能。每個(gè)像素儲(chǔ)存由光子產(chǎn)生的電荷，且多數(shù)的應(yīng)用是由2D數(shù)組排列成行，每行由多個(gè)像素組成。讀取CCD時(shí)，需透過行與行之間的傳輸，將每行平行傳遞到讀取緩存器， 再透過讀取緩存器將每行串行讀取。這個(gè)緩存器的讀取過程中，會(huì)將電荷轉(zhuǎn)換為電壓。

．CMOS影像傳感器能讓ADC、偏壓和驅(qū)動(dòng)電路在同一個(gè)芯片上做更緊密的整合，可大幅降低系統(tǒng)對(duì)整合的需求，并同時(shí)提高CIS設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。主動(dòng)像素傳感器 （APS）是CIS的核心，其中與CCD的不同在于CIS的每個(gè)像素中同時(shí)包含一組光電二極管及讀取放大器，并能單獨(dú)讀取數(shù)組中的任一個(gè)像素。

盡管多數(shù)的嵌入式視覺皆采用CIS組件，但CCD仍是高端科學(xué)研究應(yīng)用領(lǐng)域中主要采用的傳感器。本文所提及的內(nèi)容適用于CIS或CCD影像技術(shù)。

分辨率為傳感器選擇首要考慮

用戶必須對(duì)系統(tǒng)有深刻的了解方能選出正確的影像傳感器，以下幾點(diǎn)是須納入考慮的要素：

首先，用戶必須決定所需的分辨率為何，也就是決定每行中須包含的像素量，以及檢測器需多少行。好比說，在天文科學(xué)應(yīng)用的情況下，很可能需用到高分辨率的2D組件，但在工業(yè)品管的影像應(yīng)用上可能只須執(zhí)行線性掃描。

線性掃描組件由X軸上的單行像素所組成，往往適用于移動(dòng)中的相機(jī)或目標(biāo)物應(yīng)用，藉以生成Y軸的影像。通常這類傳感器用于檢驗(yàn)應(yīng)用或光學(xué)字符識(shí)別（OCR）居多。有些領(lǐng)域須采用時(shí)域整合（TDI）線性掃描傳感器，而這類傳感器在X軸由多行所組成，并隨著目標(biāo)移動(dòng)；而像素也從一個(gè)向下一個(gè)移動(dòng)，并隨著電荷在時(shí)間上整合，以實(shí)現(xiàn)更靈敏的檢測。

不過，TDI需在行與行間的傳輸與目標(biāo)移動(dòng)間進(jìn)行同步，以防發(fā)生模糊及影像缺陷。由于只有幾行須要讀取，因此幀率可以相當(dāng)高。

2D數(shù)組中包含多行的像素，而數(shù)組大小將決定傳感器的最大幀率。通常為了實(shí)現(xiàn)更高的幀率，并將2D組件平行讀取多個(gè)像素。除此之外，2D組件亦可執(zhí)行窗口操作（又稱為感興趣區(qū)域，ROI），并讀取特定感興趣的區(qū)域，以獲得更高的幀率。這類組件可用于眾多領(lǐng)域，而且信息包含在2D影像中，例如先進(jìn)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、監(jiān)控或科學(xué)研究領(lǐng)域。

在決定了影像感測的格式及所需分辨率后，再來必須考慮的是「像素間距」。因?yàn)樗鼪Q定了像素的大小，而這關(guān)系到入射光子所產(chǎn)生的電荷有多少能夠被收集。因此，較小的像素間距意味著在一個(gè)整合周期內(nèi)（傳感器暴露于影像中的時(shí)間）能夠收集較少的電荷。若像素間距較小，則意味著捕捉影像需要更長的整合時(shí)間，這會(huì)影響到傳感器捕捉快速移動(dòng)中影像的能力，并且使得低光源拍照效能下降。