2.傳統基于圖像傳感器的設計可以支持很多嵌入視覺實現，但對于深度識別要求，通常需要一個3d圖像傳感器子系統。

       3.深度映射的常見方法是立體傳感器陣列，它將兩個攝像頭“固定”起來；結構光法是將一個預設的光模式投射到屏幕做分析；而飛行時間法則是通過投射光經過的時間(從源到物體，再返回傳感器)計算出距離。

      看一下你正在做的設計，或者更省事一點，看一下你的周邊，你很可能會發現攝像機正在盯著你，甚至不止一臺。圖像傳感器和它配套的圖像處理器正在各種電子產品中日益普及。

      例如，現在幾乎不可能買到一款不帶攝像頭的筆記本電腦，而越來越多的一體機、專用計算機顯示器，甚至電視機中都包含了攝像頭。智能手機與平板電腦也更多地配上了圖像傳感器，通常前后都有，有時甚至采用“立體”配置以獲取三維圖像。甚至在便攜媒體播放器和汽車內也能看到攝像頭的存在。

     豐富的應用

     設計中增加攝像頭的基本理由一般是實現基本的圖像捕捉，尤其是靜像、錄像以及視頻會議。但由于已經有很多圖像構建塊，軟件與系統開發者也充分將它們用于更多新的用途，如根據內容識別含義，根據判讀的信息采取動作。

     例如在汽車應用中，先進的分析系統并不是簡單地將后視攝像頭捕捉的視頻送到lcd屏幕上，它還會警告駕駛員在車后探測到了某個物體，更先進的系統甚至能緊急剎車以避免撞車的發生。

     在汽車兩側和周圍很多位置還可以安裝更多的攝像頭，用以提醒駕駛者，先進的實現還會采取措施，以避免無意的變道或與前方物體的碰撞。它們還可以解析出道路標志的含義，對駕駛者提出超速或可能發生碰撞的警告。攝像頭能夠實現對收音機和其它汽車子系統的手勢界面控制，從而減少駕駛者的分心，它們可以發現正在打盹、發短信或做著其他分神的事的駕駛者，讓他們把全部注意力放回道路上。

    智能手機、平板電腦、計算機和電視用前置攝像頭可完成不同功能。它們可以警告用戶距離顯示器過近或過遠，或姿勢不好。它們可以確保有人坐在顯示器前時，顯示屏背光一直亮著，而當人走開時，顯示屏背光自動關閉。在這些例子和其它消費電子應用中，手勢界面扮演著越來越重要的角色(如在游戲機中)，它為傳統的按鈕按鍵、觸摸板或鼠標的操作提供了一種補充(雖然不是替代)。

    正面的攝像頭可以用于監控呼吸，它量度胸腔的起伏節奏，并且通過探測血流引起的面部顏色微小的周期性變化測出心律。它可以監控眼球的移動，警告一個人喝酒過多了。它可以判斷出一個出現在系統前的人是授權用戶，自動為其登錄，并裝入特定賬戶的程序與設置。而后置攝像頭則可以采用增強現實的手段，為某個物體或場景的普通視圖提供額外的信息。

    這些是嵌入視覺的典型例子，這個發展迅速的應用類型已擴展到專用功能設備，如監控系統和生產線檢查設備等。有些情況下，過去是由運行pc操作系統的計算機執行視覺分析工作，但這種方法成本高、笨重、功耗大，并且不可靠。在其它一些情況下，任一或所有這些因素都會導致不可能實現視覺功能。

    現在，由于處理器、圖像傳感器、存儲器和其它半導體器件的性能提高、成本下降及功耗減小，開發人員可以針對各種系統規模和價格點，評估嵌入視覺的能力，這也提升了對越來越強健的圖像子系統的需求。

    距離還是分辨率

    多年來， 消費數碼相機市場的動力一直是“像素越多越好”的心態，由于這些圖像傳感器有大規模的批量，因而價格較低，所以也進入了很多嵌入視覺系統。但近年來，這種過分簡單化選擇策略的局限性已經越來越明顯。

    首先，消費者日益發現，除非他們要把照片放大打印到一整面墻那么大，或對源照片做嚴格的剪裁，否則根本不需要高分辨率的圖像，高分辨率照片要占用龐大的存儲空間。另外，現代相機拍出的高噪聲照片或經人為修補的照片，揭示出了越來越高的分辨率的缺陷。

    傳感器尺寸必須保持很小以維持性價比，這是消費電子系統的一個重要特性。當制造商硬性在傳感器中塞入更多像素時，可想而知，必須縮小單個像素的尺寸。在確定的時間量下，越小的像素獲得的光子數越少，因此降低了光敏感度。這樣不僅降低了相機的低光性能，同時也對系統動態范圍產生了負面影響。后處理工作只能部分地補償這種損失，通常是只采用運動修補和其它折中方法。

    諷刺地是，嵌入視覺應用的需求傾向于采用較通用攝影更低的分辨率。例如，微軟公司kinect中使用的紅外和可見光圖像傳感器都是vga(640×480像素)分辨率的類型，而視覺外設只將qvga(320×240像素)的深度圖像傳送給連線的游戲機或pc。

    鑒于現代傳感器中可用像素已經過剩，有些供應商轉而采用非傳統bayer rgb模式的濾波器陣列方案，將多余像素用于提高光靈敏度和彩色精度(圖1)。額外的(和改變的)濾波器顏色據說能提高全譜段上的單像素插值結果，而單色(或無濾波器)像素可以進入更多光線，付出的代價是沒有了彩色識別能力(參考文獻1)。

        圖1，bayer傳感器模式以一位柯達圖像科學家的名字命名，它保留了數字影像應用中的

    濾波器陣列方法(a)。更多現代方案則以一種隨機方式增加了綠色光譜像素，以提高可見光頻譜中這一 重要部分的細節(b)，使用減色(代價是需要更多的后期處理)，以提高濾波器的光傳輸能力(c)，甚至為像素混合體增加無濾波器的單色像素(d)。

       萊卡相機公司的 新數碼相機將濾波器的變通做到了極致，它用自己的無濾波器單色圖像傳感器，僅捕捉黑白圖像(圖2a)。但即使在高iso設置下，其照片銳度也獲得了評論家們的支持。

    圖2，leica公司的m monochrom要價8000美元，只能捕捉到黑白圖像，但評測者們都盛贊該相機的清晰度與低照度下的性能(a)。諾基亞808 pureview智能手機包含有一個超強的4100萬像素圖像傳感器，用于實現數字變焦，以及集簇像素的光學收集能力(b)。索尼開發的名為背照的傳感器設計技術，它將像素互連接線改到光電二極管背后，從而改善了每像素填充因素比(c)。

    同時， 諾基亞公司的8 0 8pureview智能手機嵌入了一只4100萬像素的圖像傳感器， 但缺省情況下只輸出800萬像素或更低分辨率的圖像(圖2b和參考文獻2)。808pureview會根據數字變焦設置，將多個像素組合成為不同尺寸的簇，從而省掉了復雜、昂貴和笨重的光學變焦結構，并將實際的單像素光子收集能力提高了很多倍，改善了低光照下的性能。

    索尼公司開發了一種稱為背照的傳感器設計技術(圖2c)。撇開實現細節不談，該技術是將像素間的連線布放到像素光電二極管的后面，從而改善了傳感器單像素的填充因數(即感光面積占總面積的百分比)，因此也提高了低光照性能。

    深度識別

    基于傳統圖像傳感器的設計可以支持很多嵌入視覺實現。例如，它可以幫助解析基本手勢，以及處理基本的面部探測與識別工作，通常也適用于光學字符識別功能。但是，它可能無法明確地探測出復雜的手勢，如針對攝像頭的進退運動(3d)，因為手勢被嚴格限制在垂直和水平面上(2d)。更常見的是，它不能完全分辨一個物體的整體，即深度；例如，它無法輕松區分出是真臉還是該人的照片。對于這類深度識別的需求，通常需要有一個3d圖像傳感器子系統(參考文獻3)。

    無論哪種3d傳感器實現，常見的輸出就是深度圖，這是一個圖像陣列，其中每個像素數據項(有時為了人類判讀目的而要做附加的彩色編碼)都代表著傳感器與傳感器前方某點之間的距離(圖3)。每個深度圖幀通常都配合一個由普通2d圖像傳感器捕捉的相應幀，兩個幀要相互做視差校正，因為兩臺攝像頭所處位置不同。

    圖3，無論采用哪種3d攝像頭技術， 都能給出一個物體的深度圖(a)。像htc evo 3-d智能手機這樣的設備也可以用于3d嵌入視覺用途，該手機的立體傳感器陣列主要用于捕捉3d靜像和頻圖像(b)。微軟的kinect(c)采用的是結構光方法，測深的方法是在投影儀的前方投射一個知的紅外光模式，然后分析它所看到橢圓的形狀與方向(d)。

    有一種常用的判斷深度方法是使用一個立體傳感器陣列，它是按照類似一對人眼的結構，布放兩個圖像傳感器。圖像soc像人類的大腦和眼睛一樣，處理傳感器從不同視點對一個物體的視圖，從而評判出物體與傳感器陣列之間的距離。在多視圖幾何應用中，可以將雙傳感器擴展至多傳感器。雙傳感器方案通常有 低的成本、 小的功耗、 小的外形，如果設計中已經有多個傳感器用于3d靜像攝像和視頻捕捉，則這種方案更有吸引力。

    有一種立體影像實現是分立的“雙眼”方案，實現方法是將兩個攝像頭“拴”在一起。雖然從硬件角度看，這是 直接的概念，但所需要的軟件支持則比較復雜。打個比方，把兩輛摩托車用一個公共軸連接起來，也成不了一輛汽車。攝像頭需要做校正才能得到可靠的圖像配準，經常有這種情況，攝像機陣列或物體在運動，此時必須做幀的同步。

    還有一種方法，可以將兩只圖像傳感器裝在單只soc或多片芯封裝內，通過一個總線輸出聯合數據流。這種完全集成化方案的優點是便于控制和幀同步。更緊密的集成改善了校正工作，從而獲得更好的立體影像結果，即增強的深度感知能力和更快的圖像處理速度。

     投影方案

     結構光(structured light)是第二種常見3d傳感器方法，也是微軟kinect中使用的技術，它是將預設的光模式投射在一個屏幕上，以供分析之用。結構光方法的3d傳感器方案采用一個投影儀來建立光模式，并有一個攝像頭用于探測結果。

     kinect的投影儀是采用的紅外光，使用的是x和y方向上不同焦距的散射鏡。鏡片后的一個紅外激光器將一個包含大量點的圖像投射出去，圖像變換成橢圓，其特定的形狀與方向取決于每種情況下物體離鏡片的距離。

    結構光的優點在于，它有精密的細節分辨率和高精度，尤其是在暗光環境下，此時主要針對可見光譜的傳感器就很難捕捉到恰當的圖像。與立體傳感器方案相比較，結構光的軟件算法也更簡單，雖然光點云的處理可能會有接近于立體視覺的大計算量。

     不過，結構光技術依賴于紅外光，至少kinect證明了這點，這意味著該技術在室外工作會有問題，室外環境下，太陽光中的紅外輻射將破壞性地干擾投影儀的光線。另外，投影儀既昂貴又笨重，消耗功率可觀， 并大量發熱； 事實上，kinect專門為此而做了一個風扇(參考文獻4)。必要的定制投影鏡片又增加了總的物料成本。

    飛行時間(time of flight)是第三種常見的3d傳感器實現方法。與結構光一樣，飛行時間攝像頭包括一個圖像傳感器、一只鏡片和一個有源發光源。但采用飛行時間方法時，攝像頭會根據投射光從光源到投影儀，再回到圖像傳感器的時間，得出范圍或距離(參考文獻5)。發光源一般可以是一只脈沖激光器或調制光束，具體取決于設計采用的圖像傳感器類型。

    集成了數字時間計數器的圖像傳感器通常帶有脈沖激光束，正如包括快門的距離選通傳感器。對于后者，快門以投影儀投射脈沖光束的速度開閉。因此，每個圖像傳感器像素所“看到”的光通量就與脈沖傳輸的距離有關，這就是從傳感器到物體的距離。帶相位探測器圖像傳感器的飛行時間設計則采用了調制波束源。波束的強度隨時間而改變，因此測量進入光的相位，就間接地得到了“飛行時間”的距離。

     飛行時間攝像頭在汽車應用中很常見，例如行人探測和駕駛員輔助，并且在機器人產品中也很普遍。它們還在軍事、國防與航空領域有較豐富的應用史。所需要的圖像處理軟件比較簡單，因此要比立體攝像頭結構的必備軟件更有實時能力，雖然飛行時間技術對環境照射干擾和多次反射的敏感性多少會使算法復雜化。

     飛行時間方案的幀速率可以非常高，達到每秒60幀，用立體影像設置難以達到這個速度，但其分辨率通常相對較低。并且與結構光技術相比，需要的時間飛行光投影儀帶來了成本、功耗(及散熱)、尺寸以及重量上的缺陷。

         聯盟促進設計成功

         嵌入視覺技術能夠讓電子產品更加智能且有響應能力，因此對用戶比以往更有價值。該技術能為現有產品增加有助益的特性，為硬件、軟件、半導體和系統制造商提供了嶄新的市場。

         嵌入視覺聯盟(the embeddedvision alliance)是去年夏天組成的一個全球技術開發人員與供應商的組織，它為工程師提供各種必要的工具，以加快這種潛能向實際的轉化。該聯盟的使命是提供實用教育、信息及洞見，幫助工程師們將嵌入視覺功能加到產品中。

相關文章

• 上一篇： 光學傳感器介紹
• 下一篇： 低內阻三極管功放如何選擇負反饋