本文介紹了人機界面 (HMI) 應用程序 3 部分系列的第二部分，即在嵌入式設備中應用 CMOS 攝像頭。它概述了 CMOS 相機成為嵌入式設備的重要組成部分，以及從紅外傳感器變得值得升級的相機模塊。它還討論了攝像頭模塊部署和 RX 微控制器作為基本運動檢測和安全監控應用選擇的技術障礙。

CMOS 相機正成為嵌入式設備的重要組成部分

隨著產量的增加和競爭壓力導致成本下降，CMOS 相機模塊在嵌入式系統應用中變得越來越普遍。隨著電視和其他家用電器中的節能攝像頭應用以及多種商業和工業設備中增強型 HMI（人機界面）的進一步推動，安全攝像頭的銷量不斷增加，制造量也在增長。

這種基于數碼攝影的電子趨勢為電子制造商在創造性解決問題方面的成功努力提供了重大獎勵。尋求新方法來增強產品功能和性能的系統工程團隊發現，將攝像頭功能整合到他們的設計中可以為許多嵌入式設備增加可觀的價值。

特別是，CMOS 攝像頭模塊可以在 HMI 性能和功能方面實現令人興奮且重要的增益，適用于一系列快速擴展的應用（見圖 1）。對于應用動作感應技術的電子產品來說尤其如此。

現在變得司空見慣的基于 CMOS 攝像頭的嵌入式應用的例子使這種系統設計趨勢成為現實。安裝在空調系統中的攝像頭模塊通過實現更節能的操作來節省資金。冰箱內的模塊允許通過智能手機監控內部條件，從而在最大限度地保存儲存食物的同時節省能源。自動售貨機中的攝像頭可以收集詳細的消費者使用數據，從而可以在日夜需求變化時更好地管理分發商品的庫存。

在安全設備和系統（目前是數碼相機技術的最大市場）中，事實證明，相機模塊在幫助提高安全性和減少盜竊和欺詐方面非常有效。最后，許多企業正在使用 CMOS 攝像頭快速讀取二維碼并獲取其他產品管理信息，從而及時獲取提高運營效率必不可少的數據。

相機模塊值得從紅外傳感器升級

顯然，向嵌入式系統添加攝像頭功能的設計趨勢是一個廣泛、深遠和快速發展的趨勢。然而，并非沒有適用于許多情況的替代方案。

具體來說，紅外 (IR) 傳感器比相機便宜，而且它們對于檢測人體存在的基本功能同樣有效。但是，在許多情況下，它們具有顯著的性能限制。隨著系統性能要求的提高和其他傳感功能的需求，紅外傳感器變得完全不夠用。

重要的是，將嵌入式系統從 IR 傳感器升級到 CMOS 相機模塊的成本通常可以通過以下幾個因素來降低：模塊生成更多更好數據的能力；他們在實施增強型 HMI 功能方面的優勢；以及它們無需額外傳感器的能力，從而有助于降低總體材料成本。

在世界各地，實現“物聯網”的嵌入式系統正在產生許多好處——有些出乎意料，但都受到歡迎。隨著這些電子設備在日常生活中變得越來越普遍，瑞薩電子預計對 CMOS 相機模塊的需求將猛增。

可以消除攝像頭模塊部署的技術障礙

在典型的嵌入式 CMOS 攝像頭安裝中，微控制器 (MCU) 或微處理器 (MPU) 接收來自攝像頭模塊的信號，然后根據應用的特定要求顯示和處理生成的圖像。創建此過程的成功實現并不是一項微不足道的設計任務。

由于這個 HMI 領域正在擴大，在許多情況下，從事此類項目的系統工程師缺乏數碼相機的經驗。他們關心的設計問題包括： 是否需要高端 MCU/MPU？必須開發多少軟件？系統電源電路是否需要重新設計？等等。即使是以前有嵌入式相機經驗的工程師，也常常在尋找更簡單的方法來實施該技術，但不確定如何進行。

應用專家的技術援助對于將 HMI 概念轉化為成功的現實非常寶貴。幸運的是，這種幫助很容易獲得。

本文的其余部分廣泛介紹了在各種嵌入式系統產品中部署 CMOS 攝像頭模塊的開發解決方案。這些信息對首次從事此類項目的系統工程師以及尋求有關卓越設計方法的更新信息的人員都有幫助。

為補充本故事中的技術內容和我們網站上的數據，瑞薩電子為客戶提供全球經驗豐富的應用工程師員工的大量專業知識。這些專業的問題解決者可以審查項目要求并推薦最適合實現特定技術目標和目標的 MCU/MPU 和評估環境。

RX 和 RZ/A1 滿足不同的應用需求

為滿足客戶的系統規格的多樣化需求，瑞薩電子提供針對不同幀速率和圖像分辨率進行優化的嵌入式 CMOS 相機模塊。我們面向非密集型應用的系統解決方案采用 RX 系列中易于使用的中檔 MCU：RX631 或 RX64M 設備。但是，我們針對必須提供更高性能視頻功能的應用程序的系統解決方案在我們的 RZ 系列中應用了高級 MPU，特別是 RZ/A1 系列中的設備，圍繞 CortexTM-A9 ARM? CPU 構建的芯片（參見圖 2）。

圖 2 說明了功能要求（橫軸）和時鐘速度要求（縱軸）之間的關系，顯示了它們是如何一起上升的。也就是說，要提高輸入相機的分辨率（像素數）和幀速率，必須使用更快的處理器。

RX MCU 的運行速度高達 120 MHz。它們是實現圖像捕捉（用于運動檢測、安全監控等）等功能的理想選擇。RX MCU 也推薦用于二維條碼掃描和相對簡單的字符識別。

RZ/A1 系列中的高端 CPU 的運行速度高達 400 MHz。它們可以輕松處理更復雜的面部和字符識別應用所需的大量計算，以及手勢閱讀和其他復雜運動檢測類型應用所需的大量計算。

圖 2 還強調了這樣一個事實：隨著輸入相機分辨率（X 軸）的提高，需要更高的 CPU 吞吐量（通過更寬的總線寬度實現）。例如，中檔 RX MCU 足以用于 10 次捕獲/秒的 VGA 車輛日間行車記錄儀。不過，對于拍攝更高分辨率照片的夜間行車記錄儀來說，RZ MPU 可能是必要的。對于必須檢測快速移動物體的嵌入式系統產品，可能還需要 RZ MPU，因為電子設備必須能夠以快速幀速率處理圖像。

四種技術可用于檢測和分類運動

運動檢測應用是 CMOS 相機模塊的主要市場。它們也是客戶期望特別高的領域。通常，系統設計規范要求電子設備不僅要檢測運動的存在，還要檢測運動的類型。

運動檢測通常使用四種算法方法之一來實現：時間差檢測、背景減法、模板匹配和光流檢測。這四種不同的算法如圖 3 所示，并在下面進行了描述。

• 時間差異檢測
• 背景減法
• 模板匹配
• 光流

上述前三種算法——時間差異檢測、背景減法和模板匹配——使用相對簡單的數學計算。因此，它們產生相對較低的處理負載。然而，它們不能很好地處理亮度波動和其他類型的噪聲，也不能很好地檢測快速移動的物體。

光流檢測方法提供更好的性能，但它對 CPU 的處理負載相對較高。

編輯：hfy