嵌入式視覺系統(tǒng)的概念及關(guān)鍵因素

基于視覺的系統(tǒng)在很多行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域中已變得非常普遍。實(shí)際上，我們中的很多人每天就攜著一個(gè)嵌入式視覺系統(tǒng)，比如在我們的智能手機(jī)中。這些智能設(shè)備不僅能夠捕獲圖像和錄制視頻，而且還能執(zhí)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，這些都展示了嵌入式視覺技術(shù)是如何被普遍地廣為接受。

處理能力、存儲(chǔ)器密度和系統(tǒng)集成度的提升，促進(jìn)了嵌入式視覺在傳統(tǒng)和新興應(yīng)用領(lǐng)域（ 圖 1所示實(shí)例）的增長。這也使得嵌入式視覺在消費(fèi)類、產(chǎn)業(yè)和政府領(lǐng)域被廣泛接受，因而將在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著增長。表 1 列出了一些嵌入式視覺的高增長領(lǐng)域，其中有一些顯而易見，有些則不是很明顯。

什么是嵌入式視覺？

嵌入式視覺系統(tǒng)包含從所選成像傳感器接收光到系統(tǒng)輸出的整個(gè)信號(hào)鏈。系統(tǒng)輸出是指從圖像中提取的經(jīng)過處理或未經(jīng)處理的圖像或信息，并提供給下游系統(tǒng)。當(dāng)然，嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)師負(fù)責(zé)根據(jù)系統(tǒng)要求確保端到端性能。

為此，嵌入式視覺系統(tǒng)架構(gòu)師需要熟悉與傳感器和后處理系統(tǒng)有關(guān)的各種概念和技術(shù)。本文作為高級(jí)入門手冊(cè)，旨在讓讀者對(duì)這些技術(shù)和概念有一個(gè)基本了解。

首先需要熟悉電磁波譜以及希望系統(tǒng)運(yùn)行的光譜域。人眼只能看到 390nm（藍(lán)光）至 700nm（紅光）波長之間的光譜，也就是通常所指的可見光譜；成像設(shè)備憑借所采用的技術(shù)，則能捕獲到更寬泛波長的圖像，包括 X 光、紫外線、紅外線以及可見光譜。

在近紅外光譜及以下范圍，我們可以使用電荷耦合器件（CCD）或 CMOS （互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器 (CIS)；到了紅外光譜范圍，需要使用專用的紅外檢測器。紅外光譜范圍之所以需要專用傳感器，部分原因在于芯片成像器（如 CCD 或 CIS）需要的激發(fā)能。這些器件通常需要 1eV 的光子能量來激發(fā)一個(gè)電子，然而在紅外范圍，光子能量介于 1.7eV-1.24meV 之間，因此紅外成像器應(yīng)基于 HgCdTe 或 InSb。這些器件需要更低的激發(fā)能量，經(jīng)常與 CMOS 讀出 IC（即 ROIC）配合使用，以控制和讀出傳感器。

最常見的兩種檢測器技術(shù)分別是 CCD 和 CIS

●　電荷耦合器件被視為模擬器件，因此要集成到數(shù)字系統(tǒng)中就需要使用片外 ADC 以及所需模擬電壓電平下的時(shí)鐘生成功能。每個(gè)像素存儲(chǔ)由光子產(chǎn)生的電荷。大多數(shù)情況下將像素排列成 2D 陣列，組成多個(gè)行，每行包含多個(gè)像素。讀出 CCD 時(shí)通過行傳輸將每行并行傳遞到讀出寄存器，再通過讀出寄存器將每行串行讀出。這個(gè)寄存器讀出過程中，電荷轉(zhuǎn)換為電壓。

●　CMOS 成像傳感器能實(shí)現(xiàn)更緊密集成，使 ADC、偏置和驅(qū)動(dòng)電路都集成在同一晶片上。這大大降低了系統(tǒng)集成要求，同時(shí)也提高了 CIS 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。CIS 的核心是有源像素傳感器 (APS)，其中每個(gè)像素同時(shí)包含光電二極管和讀出放大器，因此，與 CCD 不同，CIS 能夠讀出陣列中的任意像素地址。

盡管大多數(shù)嵌入式視覺都采用 CIS 器件，但是 CCD 仍用于非常注重性能的高端科研應(yīng)用領(lǐng)域。本文的要點(diǎn)內(nèi)容適用于這兩種成像技術(shù)。

傳感器考慮因素

選擇正確的傳感器需要了解系統(tǒng)要求，為此，必須從器件的幾個(gè)方面加以考慮。

第一個(gè)要求是我們必須確定所需的分辨率，也就是每行有多少個(gè)像素，檢測器需要多少行。最終應(yīng)用對(duì)此起決定作用，例如，科研用的天文學(xué)應(yīng)用可能需要高分辨率的 2D 器件，而工業(yè)檢查成像可能僅需要行掃描方案。

●　行掃描器件在 X 方向上包含單行（有時(shí)是幾行）像素。如果通過相機(jī)或目標(biāo)的移動(dòng)生成 Y 方向上的圖像，通常采用這類器件。它們用于檢查或光學(xué)字符識(shí)別 (OCR) 領(lǐng)域。有些領(lǐng)域需要采用時(shí)域積分 (TDI) 線掃描傳感器。這類傳感器在 X 方向包含多行，隨著目標(biāo)移動(dòng)，像素值也從一個(gè)向下一個(gè)移動(dòng)，隨著電荷在時(shí)間上積分，可實(shí)現(xiàn)更靈敏的檢測。不過，TDI 需要在行傳輸與目標(biāo)移動(dòng)之間進(jìn)行同步，以防出現(xiàn)模糊和圖像缺陷。由于只有幾行需要讀出，因此幀率可以非常高。

●　2D 陣列包含多個(gè)行，每行有多個(gè)像素，陣列大小是決定傳感器最大幀率的一個(gè)因素。通常，為了實(shí)現(xiàn)更高的幀速率，2D 器件并行讀出多個(gè)像素。2D 器件還能執(zhí)行窗口操作（有時(shí)稱為興趣區(qū)域），即只讀出特定的感興趣區(qū)域，以獲得更高幀速率。這類器件可用于眾多領(lǐng)域，而且信息包含在 2D 圖像中，例如高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS)、監(jiān)控或科研領(lǐng)域。