嵌入式视野：设计中紧凑，可能性膨胀

纵观电子工业的历史，系统将不断变得更快、更简单和更便宜的老调重弹仍然是正确的。在计算机视觉的早期，一个能够捕捉单个640 x 480 x 8位图像的帧捕捉器由多个板组成，放在一个架子上，成本高达数万美元。那时候，很少有人能想象出一种比一副扑克牌还小的便携式设备，能够捕捉图像和视频，存储千兆字节的数据，还能充当收音机、GPS设备和电话——所有这些都不到500美元。

手机是将多种技术组合成优化、高度紧凑的模块（通常称为“嵌入式系统”）的最常见例子。当机器视觉加入到组合中时，该模块就变成了嵌入式视觉系统。嵌入式视觉系统将小型摄像机或图像传感器、强大的处理器以及通常的I/O和显示功能集成到一个单位成本和能耗较低的特定应用系统中。机器视觉、医疗、汽车和消费市场的例子分别包括智能相机、超声波扫描仪、自动驾驶汽车和便携式数字助理（PDA）。

嵌入式平台的发展
个人电脑的引入和集成电路功能的增加为基于个人电脑的单板计算机、帧抓取器、I/O外围设备、图形和通信板创造了一个新的市场。这使得系统集成商可以为数据采集、通信、计算机图形和视觉系统等特定应用定制定制系统。今天，可选择的电路板、形状因素和功能有很多，包括基于OpenVPX、VME、CompactPCI、cPCI Express、PC 104、PC/104 Plus、EPIC、EBX和COM Express标准的产品。

就像帧捕捉器和智能相机可以结合fpga一样，使用板级产品(如现成的cpu、帧捕捉器和I/O外设)的系统设计师面临着更广泛的产品选择。在这里，许多基于OpenVPX、VME、CompactPCI、cPCI Express、PC 104、PC/104 Plus、EPIC、EBX和COM Express等标准的板级产品都可以用于构建具有不同摄像头接口和I/O选项的视觉系统。VITA、PICMG和PCI/104联盟等标准组织详细介绍了这些开放标准和许多可用于构建机器视觉或图像处理系统的产品。

嵌入式愿景可以采用两条轨道：根据这些计算平台和上述标准，或使用相机，处理器，帧抓取器，I / O外围设备和软件的定制设计，打开小型视觉和图像处理板和外围设备。虽然开放式嵌入式视觉系统的硬件可能相对容易地逆向工程师，但自定义嵌入式视觉设计更复杂，专有专有，并且可以使用嵌入在FPGA和ASIC中的定制设计的CMOS成像仪和自定义Verilog硬件描述语言（HDL）。

知识产权
在嵌入式视觉设计中，在FPGA中实现了向并行数据流借给并行数据流的许多图像处理功能。Altera（现在是英特尔的一部分）和Xilinx提供库，可以与其FPGA一起使用以加速这些功能。Intel’s FPGA Video and Image Processing Suite, for example, is a collection of Intel FPGA intellectual property (IP) functions for the development of custom video and image processing (VIP) designs that range from simple building block functions, such as color space conversion, to video scaling functions. Likewise, Xilinx offers many IP functions for image processing functions such as color filter interpolation, gamma correction, and color space conversion.

intel和赛灵思公司提供第三方知识产权作为其伙伴关系计划的一部分。Xilinx在其Xilinx联盟计划中，Xilinx包括来自Crucial IP，IWAVE系统技术和Xylon等公司的产品，可分别为IP进行降噪，视频编码和视频到RGB转换器。

利用fpga的强大功能，相机公司在认识到可用于开放嵌入式系统的外围设备的需求方面毫不迟缓。的确，诸如联合愿景和巴斯勒已经介绍了相机模块以满足这些需求。

“Many of today’s embedded systems rely on a sensor module connected to a processor board via a MIPI serial interface 2 (MIPI CSI-2) that is used in mobile devices and automotive applications,” says Francis Obidimalor, Marketing Manager at Allied Vision in his video, “传感器模块与相机模块“然而，这些传感器模块的处理能力有限。诸如降噪和色彩去噪等功能，以及面部识别等特定应用软件，都必须在主机处理器上执行。”

为了减少所需的主机处理，具有车载处理能力的相机模块可用于卸载功能，例如降噪和颜色debayering，允许开发人员集中在应用软件上。“Using such modules employed in the Allied Vision ‘1’ platform, camera vendors can also provide the necessary drivers, alleviating the need for designers to write new camera drivers should a system need to be upgraded with, for example, a camera with a higher performance image sensor,” Obidimalor says.

出于这个原因，Basler提供板级相机，驾驶措施27 x 27 mm，重15克，提供两个接口：USB 3.0和BCON，基于低压差分信令（LVDS）的Basler的专有接口。Basler还将提供一个扩展模块，让用户通过MIPI / CSI-2相机接口操作相机。“结果是，设计师可以集成一块成品相机模块，而不是使用更少的努力，”巴斯勒高级咨询工程师和市场分析师Matthew Breit说。

嵌入式视觉组件正在被整合到无数的应用程序中。即便如此，仍有少数工业部门受到了最多的关注，这主要是由于规模经济。这些应用包括汽车、医疗、安全和消费者应用。综上所述，它们突出了关键趋势:开发人员正在努力降低成本，减少系统规模，同时提供增强的灵活性。

汽车与安全
先进的驾驶辅助系统(ADAS)功能，如镜子更换、驾驶员嗜睡检测和行人保护系统，推动了对增强汽车内图像处理的需求。根据研究公司Strategy Analytics的数据，预计在未来几年内，大多数面向大众市场的高端汽车将配备多达12个摄像头。

“在汽车应用中，低能耗的高速计算非常重要，”Basler战略业务开发经理Ingo Lewerendt说。目前，Basler打算专注于安装在车内的嵌入式视觉系统。然而，定制解决方案似乎几乎是不可避免的，因为汽车制造商提供了自己品牌的娱乐和信息系统座舱配置。

FLIR系统还根据公司的玻色子热成像摄像机核心与其汽车开发套件（ADK）定位了汽车市场。专为汽车热视力和ADA的开发人员而设计的，该基于加工的VOX微倍压仪探测器的相机芯已经在GM，Mercedes-Benz，Audi和BMW提供的车辆上使用。

来自此类摄像头模块的数据必须在最极端的条件下快速处理和分析图像，并在严格的汽车安全标准面前进行处理和分析。为了应对这些挑战，Arm开发了Mali-C71，这是一种定制的图像信号处理器（ISP），能够处理多达四台摄像机的数据，并处理24个动态范围的站点，从明亮的阳光或阴影下拍摄的图像中捕捉细节。参考软件控制ISP、传感器、自动白平衡和自动曝光。为了进一步利用该设备进入汽车市场，该公司计划开发符合汽车安全完整性级别（ASIL）的汽车软件。

嵌入式视觉系统不仅可以在汽车中找到自己，而且是监控它们的自动编号识别（ANPR）系统。虽然在这种系统中使用的相机可能在过去一直具有低成本的可互联网的相机，其使用诸如H.264 / 5的损耗传输标准，这些相机逐渐被无需这种压缩的数字系统所取代。作为Optasia Systems的系统IMPS ANPR模型AIO将Gige视觉相机从击球板连接到嵌入式嵌入式嵌入式计算机中，该计算机容纳在一个单元中。这些类型的相机特别适用于诸如ANPR的低光应用，因为它们具有高动态范围并且略有容忍曝光变化。

医学影像
医疗嵌入式系统的两个主要应用是内窥镜成像和X射线成像，这反过来又增强了诊断和治疗。在医疗成像市场中，嵌入式视觉的使用正在迅速增长，这是由对微创诊断和治疗程序的呼吁、适应老龄化人口的需要以及不断上涨的医疗成本推动的。

要为此市场开发便携产品，开发人员通常会转向第三方公司寻求帮助。Zibra Corp.转向美国的净有关帮助设计核心展示和内窥镜的核心景观系列。NET开发了一个远程摄像头，具有来自AWAIBA的250 x 250 Naneye Pixel成像仪和相机主板，其中包含FPGA以进行颜色调整和死亡像素校正。控制器板上的HDMI输出允许在高达25英尺的距离以距离显示/查看摄像机的图像。

研究蜥蜴的骨骼变化为Yoel Stuart提出了一个有趣的问题，然后是哈佛大学的研究生。STUART需要一个便携式X射线系统来在该字段中使用。他使用了Rad-icon成像（现在的一部分Teledyne Dalsa.)和Kodex生产最终系统。为了创建该系统，Rad icon开发了一个远程RadEye200，带有一个14位Shad-o-Box摄像头模块，该模块具有一个带有以太网接口的GigE Vision适配器，该适配器连接到便携式主机PC。Kodex将该X射线摄像头与一个来自source ray的50 kVp便携式X射线源集成。

消费者需求
Basler的Lewerendt说：“虽然机器视觉集成商可以为一个为工业机器视觉应用而设计的系统支付10000美元，但要打入消费市场，视觉系统的成本不能超过500美元。”。“新市场希望在没有PC、GPU或硬盘驱动器的情况下实现愿景。他们希望将系统降至最低。”

然而，对于那些传统上涉足机器视觉市场的公司来说，降低系统成本是一个难题。在机器视觉市场，高分辨率、高速摄像头的价格可能高达数千美元。在iFixit拆解iPhone X的过程中，研究人员发现，该设备使用的TrueDepth传感器集群售价为16.7美元。苹果拒绝就这些零部件的价格置评，但在大批量消费产品中，如此低的成本并不罕见。

虽然传统机器视觉相机供应商可能不想在消费市场中竞争，但智能摄像机供应商还有其他机会。这些包括可用于工业应用，例如热成像以分析建筑物的热量损失。然后是Robosea的Biki，一种以鱼类的形式创建的水下无人机，采用3840 x 2160像素摄像头，32 GB内存和车载功能，如自动平衡和避免避免。

随着嵌入式视觉在汽车、医学成像、远程检测和消费电子领域的激增，传统和非传统视觉供应商的机会将继续增加。

强调
嵌入式视觉系统:将图像捕获，处理和（通常）I / O和显示能力的系统结合到单个单元中。

设计和市场考虑，大批量产品（如PDA）：复杂、昂贵的定制芯片系统设计;定制操作系统和软件;商用现货(COTS)组件和包装的极具竞争力的定价;营销成本高。

设计和市场考虑，中等产品（例如，超声系统）：COTS处理器和I / O板，以及打开总线接口标准以降低成本;I / O的一些自定义和显示功能和FPGA设计连接到自定义传感器和显示器;COTS操作系统;自定义软件，通常使用COTS或开源代码开发;敏感的组件和软件成本不太敏感;中等营销成本。

设计和市场考虑，低批量产品（例如，研发系统）：COTS PC的处理器，I / O板，开放式总线接口和软件标准;基于PC的COTS操作系统和经常COTS可定制软件;没有营销费用。

嵌入式愿景竞争考虑因素

1. 嵌入式视觉系统出现在多样化的产品中，如无人机，汽车，便携式牙科扫描仪，消费机器人和虚拟现实系统。这些需求低成本的组件来达到Pro-Sumer和消费者市场。
2. 为机器视觉系统提供相机，照明和基于PC的相机接口产品的公司会发现很难竞争。虽然可以用于此类应用的低成本相机模块和相机接口/处理模块，但供应商利润率将大幅减少，因此可能只有少数既定的机器视觉供应商将进入市场。
3. 由于易于配置（如果不受支持）的开放源代码的激增，成熟的软件供应商需要降低其产品的成本才能在这些市场上竞争。
4. 基于云的计算将否定当前在嵌入式系统中使用的处理硬件的必要性，目前，确定性和低延迟产品可能不是必需的，例如，用于自动编号板识别的那些。