成像正在成為許多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵部分。本文著眼于圖像傳感技術(shù) - 從傳感器到算法和IP - 越來越多地可用于工業(yè)視覺。

圖像傳感器在各種工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中越來越受歡迎。成熟的CMOS技術(shù)正在提供更大的傳感器陣列，以提供更大的視野，以及更快的圖像捕獲，以滿足視覺檢測的要求。同時(shí)，新的成像架構(gòu)和新的軟件算法正在提高識別速度，并使系統(tǒng)更具成本效益。隨著現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）密度的增加和成本的降低，這些算法在工廠車間變得越來越有用，再次有助于圖像傳感器的普及。雖然傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為機(jī)器視覺需要最高分辨率（見表1），但CMOS設(shè)備的新架構(gòu)可提供更高的性能，而標(biāo)準(zhǔn)CMOS設(shè)備則用于工廠車間的更多成像和自動(dòng)化應(yīng)用。

終端設(shè)備類型典型分辨率HDTV 1920 x 1080像素?cái)?shù)字影院4096 x 1714像素視頻會(huì)議1280 x 720像素醫(yī)學(xué)影像3000 x 3000像素工業(yè)監(jiān)控1280 x 720像素軍事監(jiān)視4000 x 4000像素機(jī)器視覺4000 x 4000像素

CMOS傳感器是工業(yè)成像的支柱。雖然它們的分辨率不如雙極電荷耦合器件（CCD），但它們具有成本效益和堅(jiān)固性，可用于工業(yè)成像。汽車市場中用于車道檢測等應(yīng)用的相同耐用性和可靠性現(xiàn)在可用于工業(yè)視覺。雖然CCD在工業(yè)視覺中具有性能優(yōu)勢，但主流傳感器和相機(jī)的成本降低使得視覺成本有效地用于工廠車間，高端CMOS傳感器的性能提升直接與CCD技術(shù)競爭。

新設(shè)備可以以每秒600幀的速度捕獲圖像，用于基本機(jī)器視覺應(yīng)用，動(dòng)態(tài)范圍超過64 dB。像素的流水線操作可以在讀出前述幀期間集成幀;正是這種結(jié)構(gòu)，以及1/50，000的低寄生光靈敏度，可以將傳感器的固定模式噪聲（FPN）降低到室溫下小于0.1％的全擺幅和暗電流噪聲。

圖1：用于工業(yè)成像的CMOS技術(shù)。

FPGA支持工業(yè)成像

FPGA的降低成本和不斷增加的密度也有助于提高視覺系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化中的滲透率。 Altera和Xilinx等廠商正在其低成本FPGA系列上實(shí)現(xiàn)可視化處理算法，這些FPGA系列現(xiàn)在具有足夠的邏輯和存儲(chǔ)密度以及內(nèi)存在該市場中非常有效。萊迪思還在優(yōu)化其FPGA，作為特定圖像傳感器的接口，例如來自Aptina的圖像傳感器，以便更快，更輕松地構(gòu)建視覺檢測系統(tǒng)。例如，Altera的可重編程Cyclone III FPGA現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)低成本的H.264編碼器或用作DSP協(xié)處理器，以最小的工程工作量為系統(tǒng)添加可視處理功能，如濾波器和平滑功能。這對于檢查和監(jiān)視系統(tǒng)來說非常強(qiáng)大，允許為特定應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)一系列第三方算法。 Cyclone III EP3CLS150F484C8具有超過150，000個(gè)邏輯單元，用于支持圖像IP; Altera的評估板和評估板，如DK-DEV-3C120N和Terasic的P0037，與Altera的Quartus開發(fā)工具一起提供了這些器件的開發(fā)平臺(tái)。

圖2：Cyclone III FPGA開發(fā)套件。

內(nèi)存最高可達(dá)4 Mbits的片上內(nèi)存，用于視頻幀緩沖。數(shù)字信號處理（DSP）乘法器高達(dá)288個(gè)嵌入式18位x 18位乘法器，性能為260 MHz，可處理DSP密集型視頻算法。視頻和圖像處理（VIP）套件一套9個(gè)預(yù)先優(yōu)化的視頻和圖像知識產(chǎn)權(quán)（IP）內(nèi)核，包括去隔行器，縮放器和濾波器。 Nios II Embedded

軟處理器多功能嵌入式軟處理器，用于實(shí)現(xiàn)低成本微控制器。

為了支持更高帶寬的傳感器，Aptina使用名為HiSPi的高速串行接口。這可以在一到四個(gè)串行數(shù)據(jù)通道和一個(gè)時(shí)鐘通道上運(yùn)行。每個(gè)信號都是差分信號，可以高達(dá)700 Mbps的速度運(yùn)行。這是FPGA的理想應(yīng)用，萊迪思半導(dǎo)體使用Lattice XP2-5非易失性FPGA創(chuàng)建了從HiSPi到并行總線的橋接器（圖3），該FPGA符合工業(yè)溫度范圍。 RD1120參考設(shè)計(jì)支持多種HiSPi格式，如分組化或流數(shù)據(jù)，并已使用Aptina傳感器進(jìn)行測試。

圖3：Aptina HiSPi高電平的萊迪思電橋?qū)崿F(xiàn)速度圖像傳感器接口。

萊迪思還推出了一款適用于IP攝像機(jī)HDR-60的參考設(shè)計(jì)，這是一款基于萊迪思FPGA系列的可投入生產(chǎn)的高清攝像機(jī)，可用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。

該設(shè)計(jì)預(yù)裝了一個(gè)基于德國萊迪思合作伙伴Helion IP核的圖像處理流水線，可以提供1080p分辨率，每秒60幀，具有2D降噪和高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）。它的設(shè)計(jì)適用于市售的相機(jī)外殼，能夠通過簡單的USB接口同時(shí)支持兩個(gè)傳感器。該套件采用Aptina 720p HDR傳感器，提供業(yè)界最快的自動(dòng)曝光，超過120 dB的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，高效的自動(dòng)白平衡算法和2D降噪 - 所有這些都通過FPGA實(shí)現(xiàn)流式傳輸而無需外部幀緩沖器，可實(shí)現(xiàn)極低的延遲并降低系統(tǒng)成本。板載DDR2內(nèi)存還支持3D降噪，多個(gè)傳感器的圖像拼接，圖像旋轉(zhuǎn)和去翹曲等應(yīng)用。

雖然該套件采用LatticeECP3-70 FPGA設(shè)計(jì)，但I(xiàn)P管道僅需要較低密度的LatticeECP3-35器件，剩余空間可用于實(shí)驗(yàn)和添加自定義IP。

圖4：萊迪思HDR-60 IP高清攝像機(jī)參考設(shè)計(jì)的圖像處理流水線鏈接到Aptina圖像傳感器。

Xilinx Spartan-6也用于工業(yè)視覺系統(tǒng)。這可以支持廣泛的圖像處理IP，用于邊緣增強(qiáng)，缺陷像素和顏色校正，以及濾色器陣列插值。

工業(yè)成像的參考設(shè)計(jì)使用帶有兩個(gè)子卡的Spartan-6 LX150T FPGA和帶DVI/HDMI輸出和DVI/HDMI輸入的雙圖像傳感器輸入。

Systems

傳感器本身的分辨率和幀速率只是工業(yè)用戶面臨的挑戰(zhàn)之一。還有其他問題，如溫度，濕度和EMC，需要由相機(jī)制造商解決。

Aven Tools的26100-240 130萬像素?cái)z像頭使用Aptina 1/3英寸傳感器（3.6微米x 3.6微米像素），以15 fps的速度提供1280 x 1024的水平分辨率。這是針對工業(yè)應(yīng)用，通過USB 2.0的科學(xué)級非破壞性圖像輸出和專利設(shè)計(jì)，以防止電磁干擾，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中至關(guān)重要。 220 g裝置可輕松安裝到生產(chǎn)線上，并通過標(biāo)準(zhǔn)USB電纜連接回控制器。

圖5：26100-240 1.3 Aven Tools的百萬像素?cái)z像頭。

微型相機(jī)正在進(jìn)入受空間限制的工業(yè)應(yīng)用。這些相機(jī)尺寸僅為29 x 29 x 30 mm，直接針對機(jī)器和計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用，具有以60 fps運(yùn)行的320萬像素傳感器和USB 3.0接口。

USB 3.0正在迅速獲得業(yè)界的認(rèn)可，這主要得益于其更高的帶寬，更高的可靠性和架構(gòu)，以及各種硬件平臺(tái)上的廣泛可用性。 USB 3.0的傳輸速度為384 MBytes，幾乎是USB 2.0的10倍，比Firewire快5倍?，F(xiàn)在，許多嵌入式系統(tǒng)都提供USB 3.0端口，可最大限度地提高系統(tǒng)兼容性，并最大限度地減少對附加PCI或PCI Express接口卡的需求。

結(jié)論

CMOS技術(shù)已經(jīng)迅速趕上了CCD的性能。憑借Aptina的A-Pix等新型像素架構(gòu)和HiSPi等高速接口，CMOS傳感器可提供與CCD相同的性能水平。隨著FPGA技術(shù)密度的增加和成本的降低，現(xiàn)在有更多機(jī)會(huì)與圖像傳感器一起實(shí)施新算法，以進(jìn)一步提高成像的準(zhǔn)確度和分辨率，并允許更具成本效益的滲透到工業(yè)市場。更精確的邊緣和圖案檢測算法有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)在特定應(yīng)用中充分利用圖像傳感器的性能。

隨著更多CMOS傳感器被應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)中，具有更寬的溫度范圍和抗干擾性，該技術(shù)正在工業(yè)成像和視覺系統(tǒng)中得到應(yīng)用，從而減小了尺寸，功耗和成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的更多自動(dòng)化。從監(jiān)控?cái)z像頭到特定的視覺檢測系統(tǒng)，CMOS圖像傳感器是許多工業(yè)應(yīng)用的核心。