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

什么是嵌入式視覺(jué)？

嵌入式視覺(jué)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(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(mén)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［2］（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)。