嵌入式視覺技術(shù)不再局限高度專業(yè)化的解決方案

嵌入式視覺技術(shù)不再局限于高度專業(yè)化的應(yīng)用，它在各類市場上擁有廣闊的用武之地

十年前，嵌入式視覺技術(shù)主要用于比較少見、高度專業(yè)化的應(yīng)用。今天，設(shè)計工程師們在越來越多新興的工業(yè)、汽車和消費(fèi)電子應(yīng)用中為視覺應(yīng)用找到了用武之地。制造商一直以來都依賴于工業(yè)應(yīng)用中的機(jī)器視覺系統(tǒng)，但隨著先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的涌現(xiàn)以及向工業(yè)4.0制造模式的轉(zhuǎn)變，嵌入式視覺應(yīng)用的疆土在逐步擴(kuò)大?，F(xiàn)代汽車采用的電子產(chǎn)品，尤其是高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和車載信息娛樂系統(tǒng)的快速發(fā)展也為嵌入式視頻應(yīng)用帶來了契機(jī)。無人機(jī)、游戲系統(tǒng)、監(jiān)控和安防等消費(fèi)電子解決方案的開發(fā)工程師看到了嵌入式視覺技術(shù)的優(yōu)勢。隨著網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ悄芄δ艿男枨蟛粩嗌仙?，新興的AI解決方案將越來越依賴于嵌入式視覺技術(shù)。

我們已經(jīng)可以看到許多改變。首先，對于快速部署低成本嵌入式視覺解決方案而言至關(guān)重要的許多關(guān)鍵組件和工具終于面世了。如今，設(shè)計工程師可以從各種成本較低的處理器中進(jìn)行選擇，這些處理器具備小尺寸、高性能、低功耗的特性。同時，得益于快速增長的移動市場，設(shè)計工程師得以從攝像頭和傳感器的普及中受益。與此同時，軟件和硬件工具的改進(jìn)有助于簡化開發(fā)并加速上市進(jìn)程。本文將探討如何使用嵌入式視覺技術(shù)、采用嵌入式視覺技術(shù)的理由以及近期哪些應(yīng)用最有希望采用嵌入式視覺技術(shù)。

根據(jù)定義，嵌入式視覺系統(tǒng)實(shí)際上涵蓋了執(zhí)行圖像信號處理算法或視覺系統(tǒng)控制軟件的任何設(shè)備或系統(tǒng)。智能視覺系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分是進(jìn)行實(shí)時高清數(shù)字視頻流處理的高性能計算引擎、大容量固態(tài)存儲、智能攝像頭或傳感器以及高級分析算法。這些系統(tǒng)中的處理器可以執(zhí)行圖像采集、鏡頭校正、圖像預(yù)處理和分割、目標(biāo)分析以及各種啟發(fā)式（heurisTIcs）功能。嵌入式視覺系統(tǒng)設(shè)計工程師采用各種處理器，包括專為視覺應(yīng)用設(shè)計的通用CPU、圖象處理單元（GPU）、數(shù)字信號處理器（DSP）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）。上述處理器架構(gòu)具備明顯的優(yōu)勢和短板。在許多情況下，設(shè)計工程師將多種處理器整合到一個異構(gòu)計算環(huán)境中。有時候，處理器則被集成到一個組件中。此外，一些處理器使用專用硬件來盡可能實(shí)現(xiàn)最高的視覺算法性能。諸如FPGA之類的可編程平臺為設(shè)計工程師提供了高度并行的計算密集型應(yīng)用架構(gòu)以及用于I/O擴(kuò)展等其他應(yīng)用的資源。

在攝像頭方面，嵌入式視覺系統(tǒng)設(shè)計工程師使用模擬攝像頭和數(shù)字圖像傳感器。數(shù)字圖像傳感器通常是需要可見光環(huán)境的CCD或CMOS傳感器陣列。嵌入式視覺系統(tǒng)也可用于感測其他數(shù)據(jù)，如紅外、超聲波、雷達(dá)和激光雷達(dá)。

越來越多的設(shè)計工程師開始轉(zhuǎn)向采用攝像頭或各種傳感器的“智能攝像頭”作為視覺系統(tǒng)中所有邊緣電子設(shè)備的核心。其他系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫艘詼p少系統(tǒng)處理器的負(fù)載，在這個過程中系統(tǒng)功耗、占用空間和成本降至最低。但是，當(dāng)需要基于圖像傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行低延遲的關(guān)鍵決策時，這種方法將面臨問題。

盡管嵌入式視覺解決方案早已面市多年，但該技術(shù)的發(fā)展速度受到了很多因素的限制。首先也是最重要的是，這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵要素仍沒有能夠以低成本的方式實(shí)現(xiàn)。特別是能夠?qū)崟r處理高清數(shù)字視頻流的計算引擎尚未普及。高容量固態(tài)存儲和高級分析算法的限制也帶來了挑戰(zhàn)。

最近市場上的三種發(fā)展趨勢有望徹底改變嵌入式視覺系統(tǒng)的面貌。首先，移動市場的高速發(fā)展為嵌入式視覺設(shè)計工程師提供了海量的處理器可選方案，能夠以低功耗提供相對較高的性能。其次，MIPI聯(lián)盟推出的移動行業(yè)處理器接口（MIPI）能夠?yàn)樵O(shè)計工程師提供替代方案，使用符合標(biāo)準(zhǔn)的硬件和軟件組件來構(gòu)建創(chuàng)新且具有成本效益的嵌入式視覺解決方案。最后，針對移動應(yīng)用的低成本傳感器和攝像頭的激增，幫助嵌入式視覺系統(tǒng)設(shè)計工程師實(shí)現(xiàn)更好的解決方案并降低成本。

工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的機(jī)器視覺系統(tǒng)一直以來都是嵌入式視覺領(lǐng)域最有前景的應(yīng)用方向之一。機(jī)器視覺技術(shù)是其中最成熟和數(shù)量最多的應(yīng)用。它被廣泛用于制造過程和質(zhì)量管理應(yīng)用。通常，這些應(yīng)用領(lǐng)域中的制造商采用由一個或多個智能攝像頭與處理器模塊組成的緊湊型視覺系統(tǒng)。Transparency Market Research的分析師預(yù)測，機(jī)器視覺市場將從2014年的157億美元增長至285億美元（2021年）。

今天，設(shè)計工程師為這項(xiàng)技術(shù)找到很多潛力無限的全新應(yīng)用領(lǐng)域。例如，圖1中的機(jī)器視覺智能攝像頭非常適合用于監(jiān)控生產(chǎn)線上的制造設(shè)備。設(shè)計工程師可以使用FPGA實(shí)現(xiàn)圖像傳感器橋接，用作一個完整的攝像頭圖像信號處理流水線（ISP），以及提供GeVision或USB Vision等互連解決方案。

圖1：機(jī)器視覺智能攝像頭中的FPGA

另一個例子是基于FPGA的視頻采集卡（圖2），它聚合了來自多個攝像頭的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像預(yù)處理，然后通過PCIe接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到主處理器。

圖2：視頻采集卡

隨著越來越多的制造商采用工業(yè)4.0模式，工業(yè)市場對視覺系統(tǒng)的需求也將越來越大。在這個新時代，制造商將把先進(jìn)的機(jī)器人、機(jī)器學(xué)習(xí)、3D深度測繪和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）整合到一起以提高組織和生產(chǎn)能力。在2011年發(fā)布的一篇題為“工業(yè)4.0--未來智能制造”的文章中首次提出，工業(yè)4.0代表了工業(yè)革命歷史上的第四個階段。2012年，工業(yè)4.0工作組向德國聯(lián)邦政府提出了一套實(shí)施建議。

工業(yè)革命的第一階段工業(yè)1.0在制造業(yè)中引入了水和蒸汽動力機(jī)械。勞動分工環(huán)境下首次出現(xiàn)的電力驅(qū)動批量生產(chǎn)技術(shù)奠定了工業(yè)2.0的基礎(chǔ)。工業(yè)的第三個時代從采用計算機(jī)開始，初次涉足自動化領(lǐng)域，在裝配線上用自動化機(jī)器逐漸取代人類。

今天，制造商期望工業(yè)4.0能夠幫助他們實(shí)現(xiàn)又一次的飛躍，進(jìn)一步提高生產(chǎn)力。在“智慧工廠”這個概念的驅(qū)動下，工業(yè)4.0將引入物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來監(jiān)控智能工廠的生產(chǎn)過程并實(shí)現(xiàn)分權(quán)決策。這種模式將通過整合大數(shù)據(jù)與分析、IT與物聯(lián)網(wǎng)融合、機(jī)器人技術(shù)的最新進(jìn)展以及數(shù)字供應(yīng)鏈的迭代發(fā)展等理念推動行業(yè)向著數(shù)字化轉(zhuǎn)型。最后，通過互聯(lián)網(wǎng)，這些物理系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交互和人機(jī)交互，成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的一部分。

一個工業(yè)4.0智慧工廠將會是什么樣子？首先，它將為機(jī)器、設(shè)備、傳感器和人員提供廣泛的互操作性和高水平的通信能力。其次，它將具有很高的信息透明度，系統(tǒng)通過傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建物理世界的虛擬映射，使得信息情境化。第三，智能工廠的決策行為將高度分散，物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)盡可能自主運(yùn)行。第四，這些工廠將提供高水平的技術(shù)援助，系統(tǒng)可以幫助彼此解決問題、做出決策并幫助人類完成太難或危險的任務(wù)。幾乎在所有情況下，制造商都將比以往更依賴嵌入式視覺系統(tǒng)。

當(dāng)然，采用這種新模式的制造商也將面臨諸多挑戰(zhàn)。他們必須要開發(fā)可靠性極高和延遲極低的嵌入式視覺系統(tǒng)以確保物理網(wǎng)絡(luò)通信的正常工作。工業(yè)4.0將迫使制造商保持生產(chǎn)過程的完整性，同時減少人為監(jiān)管。當(dāng)他們在部署這些新系統(tǒng)時會面臨資深人員不足的問題。但好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了挑戰(zhàn)。工業(yè)4.0將會大幅提升危險工作環(huán)境中工作人員的健康和安全保障。來自制造過程中各個層面的數(shù)據(jù)可幫助制造商能夠更簡單有效地控制其供應(yīng)鏈。 

鑒于汽車領(lǐng)域中電子應(yīng)用的迅速增長，汽車市場無疑是嵌入式視覺應(yīng)用最有潛力的發(fā)展領(lǐng)域。高級駕駛輔助系統(tǒng)和信息娛樂功能的推出有望快速推動相關(guān)市場的增長。Research and Markets.com的分析師預(yù)測，2016年至2021年間，ADAS市場將以10.44％的復(fù)合年增長率增長。這些應(yīng)用中最常用的嵌入式視覺產(chǎn)品是攝像頭模塊。供應(yīng)商要么自己開發(fā)分析工具和算法，要么采用來自外部開發(fā)工程師的第三方IP。新興的汽車應(yīng)用領(lǐng)域之一是駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用視覺應(yīng)用追蹤駕駛員頭部和身體動作以進(jìn)行疲勞狀態(tài)識別。另一個是視覺系統(tǒng)，通過監(jiān)測看短信或飲食等潛在的駕駛員分心因素提高車輛操作安全。

但是汽車中的視覺系統(tǒng)可以做的遠(yuǎn)不止是監(jiān)控車內(nèi)發(fā)生的事情。從2018年起，有一些國家的法規(guī)將要求新車必須配備后視攝像頭，以幫助司機(jī)看到車輛后方的情況。像車道偏離預(yù)警系統(tǒng)這樣的新應(yīng)用將視頻和車道檢測算法結(jié)合起來，以評估汽車的位置。此外，市場需求也推動了閱讀警示標(biāo)志、撞擊緩沖、盲點(diǎn)檢測、自動泊車、倒車輔助等功能的發(fā)展。所有這些功能都有助于讓駕駛變得更安全。

汽車視覺和傳感系統(tǒng)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)真正的自動駕駛奠定了基礎(chǔ)。例如，凱迪拉克將在2018年將其嵌入式視覺子系統(tǒng)集成到CT6轎車中，以實(shí)現(xiàn)業(yè)界首款解放雙手的駕駛技術(shù)SuperCruise。通過不斷分析駕駛員和道路情況，精確的LIDAR數(shù)據(jù)庫提供道路情況，而先進(jìn)的攝像頭、傳感器和GPS實(shí)時反應(yīng)道路的動態(tài)狀況細(xì)節(jié)。