嵌入式机器视觉概念和技术

  • 日期:07-19
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号朗锐智科

  嵌入式机器视觉系统包含从所选成像传感器接收光子到系统输出的整个信号链。系统输出是指从图像中提取的经过处理或未经处理的图像或信息,并提供给下游系统。当然,嵌入式系统架构师负责根据系统要求确保端到端性能。首先需要熟悉电磁波谱以及希望系统运行的光谱域。人眼只能看到 390nm(蓝光)至 700nm(红光)波长之间的光谱,也就是通常所指的可见光谱;成像设备凭借所采用的技术,则能捕获到更宽泛波长的图像,包括 X 光、紫外线、红外线以及可见光谱。在近红外光谱及以下范围,我们可以使用电荷耦合器件(CCD)或 CMOS (互补金属氧化物半导体)图像传感器 (CIS);到了红外光谱范围,需要使用专用的红外检测器。红外光谱范围之所以需要专用传感器,部分原因在于芯片成像器(如 CCD 或 CIS)需要的激发能。这些器件通常需要 1eV 的光子能量来激发一个电子,然而在红外范围,光子能量介于 1.7eV-1.24meV 之间,因此红外成像器应基于 HgCdTe 或 InSb。这些器件需要更低的激发能量,经常与 CMOS 读出 IC(即 ROIC)配合使用,以控制和读出传感器。

  嵌入式机器视觉概念和技术

  最常见的两种检测器技术分别是 CCD 和 CIS

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  电荷耦合器件被视为模拟器件,因此要集成到数字系统中就需要使用片外 ADC 以及所需模拟电压电平下的时钟生成功能。每个像素存储由光子产生的电荷。大多数情况下将像素排列成 2D 阵列,组成多个行,每行包含多个像素。读出 CCD 时通过行传输将每行并行传递到读出寄存器,再通过读出寄存器将每行串行读出。这个寄存器读出过程中,电荷转换为电压。CMOS 成像传感器能实现更紧密集成,使 ADC、偏置和驱动电路都集成在同一晶片上。这大大降低了系统集成要求,同时也提高了 CIS 设计的复杂性。CIS 的核心是有源像素传感器 (APS),其中每个像素同时包含光电二极管和读出放大器,因此,与 CCD 不同,CIS 能够读出阵列中的任意像素地址。尽管大多数嵌入式视觉都采用 CIS 器件,但是 CCD 仍用于非常注重性能的高端科研应用领域。