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

圖像傳感器在各種工業自動化應用中越來越受歡迎。成熟的CMOS技術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，新的成像架構和新的軟件算法正在提高識別速度，并使系統更具成本效益。隨著現場可編程門陣列（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。雖然傳統觀點認為機器視覺需要最高分辨率（見表1），但CMOS設備的新架構可提供更高的性能，而標準CMOS設備則用于工廠車間的更多成像和自動化應用。

終端設備類型典型分辨率HDTV 1920 x 1080像素數字影院4096 x 1714像素視頻會議1280 x 720像素醫學影像3000 x 3000像素工業監控1280 x 720像素軍事監視4000 x 4000像素機器視覺4000 x 4000像素

CMOS傳感器是工業成像的支柱。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固性，可用于工業成像。汽車市場中用于車道檢測等應用的相同耐用性和可靠性現在可用于工業視覺。雖然CCD在工業視覺中具有性能優勢，但主流傳感器和相機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技術競爭。

新設備可以以每秒600幀的速度捕獲圖像，用于基本機器視覺應用，動態范圍超過64 dB。像素的流水線操作可以在讀出前述幀期間集成幀;正是這種結構，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：用于工業成像的CMOS技術。

FPGA支持工業成像

FPGA的降低成本和不斷增加的密度也有助于提高視覺系統在工業自動化中的滲透率。 Altera和Xilinx等廠商正在其低成本FPGA系列上實現可視化處理算法，這些FPGA系列現在具有足夠的邏輯和存儲密度以及內存在該市場中非常有效。萊迪思還在優化其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，更輕松地構建視覺檢測系統。例如，Altera的可重編程Cyclone III FPGA現在可以實現低成本的H.264編碼器或用作DSP協處理器，以最小的工程工作量為系統添加可視處理功能，如濾波器和平滑功能。這對于檢查和監視系統來說非常強大，允許為特定應用程序實現一系列第三方算法。 Cyclone III EP3CLS150F484C8具有超過150，000個邏輯單元，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開發工具一起提供了這些器件的開發平臺。

圖2：Cyclone III FPGA開發套件。

內存最高可達4 Mbits的片上內存，用于視頻幀緩沖。數字信號處理（DSP）乘法器高達288個嵌入式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個預先優化的視頻和圖像知識產權（IP）內核，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，用于實現低成本微控制器。

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。這可以在一到四個串行數據通道和一個時鐘通道上運行。每個信號都是差分信號，可以高達700 Mbps的速度運行。這是FPGA的理想應用，萊迪思半導體使用Lattice XP2-5非易失性FPGA創建了從HiSPi到并行總線的橋接器（圖3），該FPGA符合工業溫度范圍。 RD1120參考設計支持多種HiSPi格式，如分組化或流數據，并已使用Aptina傳感器進行測試。

圖3：Aptina HiSPi高電平的萊迪思電橋實現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HDR-60的參考設計，這是一款基于萊迪思FPGA系列的可投入生產的高清攝像機，可用于工業自動化應用。

該設計預裝了一個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降噪和高動態范圍（HDR）。它的設計適用于市售的相機外殼，能夠通過簡單的USB接口同時支持兩個傳感器。該套件采用Aptina 720p HDR傳感器，提供業界最快的自動曝光，超過120 dB的系統動態范圍，高效的自動白平衡算法和2D降噪 - 所有這些都通過FPGA實現流式傳輸而無需外部幀緩沖器，可實現極低的延遲并降低系統成本。板載DDR2內存還支持3D降噪，多個傳感器的圖像拼接，圖像旋轉和去翹曲等應用。

雖然該套件采用LatticeECP3-70 FPGA設計，但IP管道僅需要較低密度的LatticeECP3-35器件，剩余空間可用于實驗和添加自定義IP。

圖4：萊迪思HDR-60 IP高清攝像機參考設計的圖像處理流水線鏈接到Aptina圖像傳感器。

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

工業成像的參考設計使用帶有兩個子卡的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用戶面臨的挑戰之一。還有其他問題，如溫度，濕度和EMC，需要由相機制造商解決。

Aven Tools的26100-240 130萬像素攝像頭使用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。這是針對工業應用，通過USB 2.0的科學級非破壞性圖像輸出和專利設計，以防止電磁干擾，在惡劣的工業環境中至關重要。 220 g裝置可輕松安裝到生產線上，并通過標準USB電纜連接回控制器。

圖5：26100-240 1.3 Aven Tools的百萬像素攝像頭。

微型相機正在進入受空間限制的工業應用。這些相機尺寸僅為29 x 29 x 30 mm，直接針對機器和計算機視覺應用，具有以60 fps運行的320萬像素傳感器和USB 3.0接口。

USB 3.0正在迅速獲得業界的認可，這主要得益于其更高的帶寬，更高的可靠性和架構，以及各種硬件平臺上的廣泛可用性。 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。現在，許多嵌入式系統都提供USB 3.0端口，可最大限度地提高系統兼容性，并最大限度地減少對附加PCI或PCI Express接口卡的需求。

結論

CMOS技術已經迅速趕上了CCD的性能。憑借Aptina的A-Pix等新型像素架構和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技術密度的增加和成本的降低，現在有更多機會與圖像傳感器一起實施新算法，以進一步提高成像的準確度和分辨率，并允許更具成本效益的滲透到工業市場。更精確的邊緣和圖案檢測算法有助于系統設計在特定應用中充分利用圖像傳感器的性能。

隨著更多CMOS傳感器被應用于汽車設計中，具有更寬的溫度范圍和抗干擾性，該技術正在工業成像和視覺系統中得到應用，從而減小了尺寸，功耗和成本，同時實現了生產線的更多自動化。從監控攝像頭到特定的視覺檢測系統，CMOS圖像傳感器是許多工業應用的核心。