基于視覺的系統在很多行業和應用領域中已變得非常普遍。實際上，我們中的很多人每天就攜著一個嵌入式視覺系統，比如在我們的智能手機中。這些智能設備不僅能夠捕獲圖像和錄制視頻，而且還能執行增強現實的應用，這些都展示了嵌入式視覺技術是如何被普遍地廣為接受。

處理能力、存儲器密度和系統集成度的提升，促進了嵌入式視覺在傳統和新興應用領域（ 圖 1所示實例）的增長。這也使得嵌入式視覺在消費類、產業和政府領域被廣泛接受，因而將在十年內實現顯著增長。表 1 列出了一些嵌入式視覺的高增長領域，其中有一些顯而易見，有些則不是很明顯。

什么是嵌入式視覺？

嵌入式視覺系統包含從所選成像傳感器接收光到系統輸出的整個信號鏈。系統輸出是指從圖像中提取的經過處理或未經處理的圖像或信息，并提供給下游系統。當然，嵌入式系統架構師負責根據系統要求確保端到端性能。

為此，嵌入式視覺系統架構師需要熟悉與傳感器和后處理系統有關的各種概念和技術。本文作為高級入門手冊，旨在讓讀者對這些技術和概念有一個基本了解。

首先需要熟悉電磁波譜以及希望系統運行的光譜域。人眼只能看到 390nm（藍光）至 700nm（紅光）波長之間的光譜，也就是通常所指的可見光譜；成像設備憑借所采用的技術，則能捕獲到更寬泛波長的圖像，包括 X 光、紫外線、紅外線以及可見光譜。

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 （互補金屬氧化物半導體）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）需要的激發能。這些器件通常需要 1eV 的光子能量來激發一個電子，然而在紅外范圍，光子能量介于 1.7eV-1.24meV 之間，因此紅外成像器應基于 HgCdTe 或 InSb。這些器件需要更低的激發能量，經常與 CMOS 讀出 IC（即 ROIC）配合使用，以控制和讀出傳感器。

最常見的兩種檢測器技術分別是 CCD 和 CIS

●　電荷耦合器件被視為模擬器件，因此要集成到數字系統中就需要使用片外 ADC 以及所需模擬電壓電平下的時鐘生成功能。每個像素存儲由光子產生的電荷。大多數情況下將像素排列成 2D 陣列，組成多個行，每行包含多個像素。讀出 CCD 時通過行傳輸將每行并行傳遞到讀出寄存器，再通過讀出寄存器將每行串行讀出。這個寄存器讀出過程中，電荷轉換為電壓。

●　CMOS 成像傳感器能實現更緊密集成，使 ADC、偏置和驅動電路都集成在同一晶片上。這大大降低了系統集成要求，同時也提高了 CIS 設計的復雜性。CIS 的核心是有源像素傳感器 (APS)，其中每個像素同時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。

盡管大多數嵌入式視覺都采用 CIS 器件，但是 CCD 仍用于非常注重性能的高端科研應用領域。本文的要點內容適用于這兩種成像技術。

傳感器考慮因素

選擇正確的傳感器需要了解系統要求，為此，必須從器件的幾個方面加以考慮。

第一個要求是我們必須確定所需的分辨率，也就是每行有多少個像素，檢測器需要多少行。最終應用對此起決定作用，例如，科研用的天文學應用可能需要高分辨率的 2D 器件，而工業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（有時是幾行）像素。如果通過相機或目標的移動生成 Y 方向上的圖像，通常采用這類器件。它們用于檢查或光學字符識別 (OCR) 領域。有些領域需要采用時域積分 (TDI) 線掃描傳感器。這類傳感器在 X 方向包含多行，隨著目標移動，像素值也從一個向下一個移動，隨著電荷在時間上積分，可實現更靈敏的檢測。不過，TDI 需要在行傳輸與目標移動之間進行同步，以防出現模糊和圖像缺陷。由于只有幾行需要讀出，因此幀率可以非常高。

●　2D 陣列包含多個行，每行有多個像素，陣列大小是決定傳感器最大幀率的一個因素。通常，為了實現更高的幀速率，2D 器件并行讀出多個像素。2D 器件還能執行窗口操作（有時稱為興趣區域），即只讀出特定的感興趣區域，以獲得更高幀速率。這類器件可用于眾多領域，而且信息包含在 2D 圖像中，例如高級駕駛員輔助系統 (ADAS)、監控或科研領域。