基于視覺(jué)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(jué)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(jué)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(jué)在傳統(tǒng)和新興應(yīng)用領(lǐng)域（ 圖1所示實(shí)例）的增長(zhǎng)。這也使得嵌入式視覺(jué)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(zhǎng)。表1列出了一些嵌入式視覺(jué)的高增長(zhǎng)領(lǐng)域，其中有一些顯而易見(jiàn)，有些則不是很明顯。

圖1 常見(jiàn)的嵌入式視覺(jué)應(yīng)用

表1 預(yù)期的嵌入式視覺(jué)高增長(zhǎng)領(lǐng)域

嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)包含從所選成像傳感器接收光子到系統(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(guò)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(jué)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(zhǎng)之間的光譜，也就是通常所指的可見(jiàn)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(zhǎng)的圖像，包括 X 光、紫外線、紅外線以及可見(jiàn)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(cè)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(lái)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(jiàn)的兩種檢測(cè)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(guò)行傳輸將每行并行傳遞到讀出寄存器，再通過(guò)讀出寄存器將每行串行讀出。這個(gè)寄存器讀出過(guò)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(jué)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)。

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。

1. 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(cè)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(guò)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(cè)。不過(guò)，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。

2. 確定成像器格式以及所需分辨率之后，我們還必須考慮像素間距。像素間距定義像素的大小，決定能收集多少入射光子產(chǎn)生的電荷。因此，較小的像素間距意味著在積分周期內(nèi)（傳感器暴露在圖像中的時(shí)間）收集較少的電荷。如果像素間距較小，意味著捕捉圖像需要更長(zhǎng)的積分時(shí)間，這會(huì)影響傳感器捕捉快速移動(dòng)圖像的能力，并降低低光拍照性能。

3. 確定傳感器格式后，我們必須考慮使用哪種技術(shù)，CCD、CMOS 還是更為專業(yè)的技術(shù)。這里的重要參數(shù)是量子效率 (QE)；該參數(shù)是器件通過(guò)光子產(chǎn)生電子的效率。通常，我們希望在有用光譜上實(shí)現(xiàn)盡可能高的 QE，這對(duì)于低光應(yīng)用也具有重要意義。影響器件 QE 的因素有三個(gè)：吸收、反射和透射。QE 降低的一個(gè)主因是器件結(jié)構(gòu)。器件結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致像素被傳感器中的電路屏蔽，例如金屬線或多晶硅柵極電路等。這些結(jié)構(gòu)會(huì)吸收或反射光子，從而降低 QE，因此要選好傳感器。

前照式 — 對(duì)于這類器件，光子以上面的介紹的傳統(tǒng)方式照射器件的前面，像素可能被遮蔽，QE 相應(yīng)降低。

背照式 — 這些器件經(jīng)過(guò)后期處理，將器件的后部削薄，以便在后面接收光照，從而不受其他設(shè)計(jì)元件的阻擋。薄型背照式器件能實(shí)現(xiàn)最佳 QE。

4. 我們還必須考慮圖像傳感器中所允許的噪聲；有三個(gè)主要方面需要考慮。

器件噪聲 — 這在本質(zhì)上講是暫時(shí)的，包括散射噪聲以及輸出放大器和復(fù)位電路產(chǎn)生的噪聲。

固定圖形噪聲(FPN) — 呈空間分布，由相同光照強(qiáng)度下像素的不同響應(yīng)引起。FPN 通常由每個(gè)像素的不同偏移和增益響應(yīng)引起；偏移部分通常稱為暗信號(hào)響應(yīng)非均勻性 (DSNU)，增益部分稱為圖像響應(yīng)非均勻性 (PRNU)。有多種方法可以補(bǔ)償 FPN，最常見(jiàn)的方法是輸出信號(hào)的相關(guān)雙采樣法。

暗電流 — 這由圖像傳感器中的熱噪聲引起，甚至在無(wú)光照情況下也會(huì)出現(xiàn)。暗信號(hào)對(duì)最終圖像質(zhì)量的影響取決于幀速率；較高幀速率下影響不大，然而，隨著幀速率降低（如科研應(yīng)用）影響會(huì)很明顯。由于暗電流與溫度有關(guān)，因此在需要降低暗電流的情況下，通常做法是利用冷卻器件（例如 Peltier)來(lái)降低成像器件的工作溫度。

理解了成像器的噪聲模式后，我們就能確定能實(shí)現(xiàn)多大的信噪比 (SNR)。

確定器件的噪聲性能后，就可以確定圖像傳感器所需的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍代表傳感器捕獲光照強(qiáng)度范圍較大的圖像的能力，單位是 dB 或以比率形式給出。這意味著圖像同時(shí)包含高照度區(qū)和暗區(qū)。

傳感器的實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍由像素的滿井容量決定，也就是像素飽和前所能承載的電子數(shù)量。將容量除以讀出噪聲，能方便地將比率轉(zhuǎn)換為以 dB 為單位的值。

然而，這并不能確保器件可以實(shí)現(xiàn)這樣的動(dòng)態(tài)范圍；只是說(shuō)明總線寬度所能代表的潛在范圍，而沒(méi)有考慮傳感器性能因素。

5. IO標(biāo)準(zhǔn)也很重要，不僅用來(lái)輸出像素?cái)?shù)據(jù)，還用來(lái)輸出命令和控制接口。這與幀速率有關(guān)，例如 LVCMOS 接口不適合高幀速率應(yīng)用，但可用于簡(jiǎn)單的監(jiān)控?cái)z像頭。隨著幀速率、分辨率和每像素比特?cái)?shù)的增加，成像器件的趨勢(shì)正朝著采用 LVDS 系列或 SERDES 技術(shù)的專用高速串行鏈路發(fā)展。

6. 現(xiàn)在我們已經(jīng)介紹了圖像傳感器的多個(gè)重要方面，另一個(gè)尚未考慮的因素是成像器是彩色還是單色傳感器。無(wú)論選擇哪種，都取決于應(yīng)用場(chǎng)合。

彩色傳感器 — 需要在每個(gè)像素上使用貝爾圖形，在一條線上交替變換紅色和綠色，下一條線上交替藍(lán)色和綠色（綠色用得多是因?yàn)槿搜蹖?duì)綠顏色波長(zhǎng)更敏感)。這意味著要對(duì)接收到的光子進(jìn)行濾波處理，使每個(gè)像素只接收具有所需波長(zhǎng)的光子。我們可對(duì)圖像進(jìn)行后處理，用不同顏色圍繞像素以重構(gòu)每個(gè)像素上的顏色，從而確定像素顏色，而且不會(huì)降低圖像分辨率。彩色傳感器會(huì)使重構(gòu)和輸出圖像所需的圖像處理鏈變得復(fù)雜化。貝爾圖形確實(shí)會(huì)導(dǎo)致分辨率降低，但是沒(méi)有想象的那么差，通常降幅為 20%。

單色 — 由于圖像陣列上沒(méi)有拜耳圖形，因此每個(gè)像素能接收所有光子。這樣可增大圖像靈敏度，使圖像的讀出更簡(jiǎn)單，因?yàn)椴淮嬖陬伾亟ㄋ璧娜ヱR賽克效應(yīng)。

7. 經(jīng)選擇我們決定使用 CIS 器件，而實(shí)際上這些屬于復(fù)雜的專用片上系統(tǒng)。因此，我們還必須考慮以下關(guān)于讀出模式和積分時(shí)間的問(wèn)題。

積分時(shí)間 — 這是讀出之前像素的曝光時(shí)間。在比較簡(jiǎn)單的 CCD 系統(tǒng)上，需要接近電子裝置在器件外執(zhí)行該時(shí)序。然而對(duì)于 CIS 器件，積分時(shí)間可通過(guò)命令接口由寄存器來(lái)配置，然后 CIS 器件針對(duì)常用的兩種讀出模式精確地執(zhí)行積分時(shí)間。

全局快門模式 — 這種模式下，所有像素同時(shí)接受光照，然后讀出。此模式下由于所有像素同時(shí)讀出，因此會(huì)增大讀出噪聲。如果要對(duì)快速運(yùn)動(dòng)物體拍攝快照，適合使用該模式。

滾動(dòng)快門模式 — 這種模式下，進(jìn)行逐行曝光和讀出。這種模式的讀出噪聲較小，然而，在捕獲快速運(yùn)動(dòng)物體方面不如全局快門模式。

 
【來(lái)源：CSDN博客，Xilinx公司投稿，作者：Aaron Behman】

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