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CMOS 相机成为嵌入式设备的重要组成部分分析

关键词:嵌入式系统 CMOS 相机模块

时间:2021-06-23 10:22:19      来源:瑞萨电子

本文介绍了人机界面 (HMI) 应用程序 3 部分系列的第二部分,即在嵌入式设备中应用 CMOS 摄像头。它概述了 CMOS 相机成为嵌入式设备的重要组成部分,以及从红外传感器变得值得升级的相机模块。它还讨论了摄像头模块部署和 RX 微控制器作为基本运动检测和安全监控应用选择的技术障碍。

本文介绍了人机界面 (HMI) 应用程序 3 部分系列的第二部分,即在嵌入式设备中应用 CMOS 摄像头。它概述了 CMOS 相机成为嵌入式设备的重要组成部分,以及从红外传感器变得值得升级的相机模块。它还讨论了摄像头模块部署和 RX 微控制器作为基本运动检测和安全监控应用选择的技术障碍。

CMOS 相机正成为嵌入式设备的重要组成部分

随着产量的增加和竞争压力导致成本下降,CMOS 相机模块在嵌入式系统应用中变得越来越普遍。随着电视和其他家用电器中的节能摄像头应用以及多种商业和工业设备中增强型 HMI(人机界面)的进一步推动,安全摄像头的销量不断增加,制造量也在增长。

这种基于数码摄影的电子趋势为电子制造商在创造性解决问题方面的成功努力提供了重大奖励。寻求新方法来增强产品功能和性能的系统工程团队发现,将摄像头功能整合到他们的设计中可以为许多嵌入式设备增加可观的价值。

特别是,CMOS 摄像头模块可以在 HMI 性能和功能方面实现令人兴奋且重要的增益,适用于一系列快速扩展的应用(见图 1)。对于应用动作感应技术的电子产品来说尤其如此。

现在变得司空见惯的基于 CMOS 摄像头的嵌入式应用的例子使这种系统设计趋势成为现实。安装在空调系统中的摄像头模块通过实现更节能的操作来节省资金。冰箱内的模块允许通过智能手机监控内部条件,从而在最大限度地保存储存食物的同时节省能源。自动售货机中的摄像头可以收集详细的消费者使用数据,从而可以在日夜需求变化时更好地管理分发商品的库存。

在安全设备和系统(目前是数码相机技术的最大市场)中,事实证明,相机模块在帮助提高安全性和减少盗窃和欺诈方面非常有效。最后,许多企业正在使用 CMOS 摄像头快速读取二维码并获取其他产品管理信息,从而及时获取提高运营效率必不可少的数据。

相机模块值得从红外传感器升级

显然,向嵌入式系统添加摄像头功能的设计趋势是一个广泛、深远和快速发展的趋势。然而,并非没有适用于许多情况的替代方案。

具体来说,红外 (IR) 传感器比相机便宜,而且它们对于检测人体存在的基本功能同样有效。但是,在许多情况下,它们具有显着的性能限制。随着系统性能要求的提高和其他传感功能的需求,红外传感器变得完全不够用。

重要的是,将嵌入式系统从 IR 传感器升级到 CMOS 相机模块的成本通常可以通过以下几个因素来降低:模块生成更多更好数据的能力;他们在实施增强型 HMI 功能方面的优势;以及它们无需额外传感器的能力,从而有助于降低总体材料成本。

在世界各地,实现“物联网”的嵌入式系统正在产生许多好处——有些出乎意料,但都受到欢迎。随着这些电子设备在日常生活中变得越来越普遍,瑞萨电子预计对 CMOS 相机模块的需求将猛增。

可以消除摄像头模块部署的技术障碍

在典型的嵌入式 CMOS 摄像头安装中,微控制器 (MCU) 或微处理器 (MPU) 接收来自摄像头模块的信号,然后根据应用的特定要求显示和处理生成的图像。创建此过程的成功实现并不是一项微不足道的设计任务。

由于这个 HMI 领域正在扩大,在许多情况下,从事此类项目的系统工程师缺乏数码相机的经验。他们关心的设计问题包括:是否需要高端 MCU/MPU?必须开发多少软件?系统电源电路是否需要重新设计?等等。即使是以前有嵌入式相机经验的工程师,也常常在寻找更简单的方法来实施该技术,但不确定如何进行。

应用专家的技术援助对于将 HMI 概念转化为成功的现实非常宝贵。幸运的是,这种帮助很容易获得。

本文的其余部分广泛介绍了在各种嵌入式系统产品中部署 CMOS 摄像头模块的开发解决方案。这些信息对首次从事此类项目的系统工程师以及寻求有关卓越设计方法的更新信息的人员都有帮助。

为补充本故事中的技术内容和我们网站上的数据,瑞萨电子为客户提供全球经验丰富的应用工程师员工的大量专业知识。这些专业的问题解决者可以审查项目要求并推荐最适合实现特定技术目标和目标的 MCU/MPU 和评估环境。

RX 和 RZ/A1 满足不同的应用需求

为满足客户的系统规格的多样化需求,瑞萨电子提供针对不同帧速率和图像分辨率进行优化的嵌入式 CMOS 相机模块。我们面向非密集型应用的系统解决方案采用 RX 系列中易于使用的中档 MCU:RX631 或 RX64M 设备。但是,我们针对必须提供更高性能视频功能的应用程序的系统解决方案在我们的 RZ 系列中应用了高级 MPU,特别是 RZ/A1 系列中的设备,围绕 CortexTM-A9 ARM® CPU 构建的芯片(参见图 2)。

图 2 说明了功能要求(横轴)和时钟速度要求(纵轴)之间的关系,显示了它们是如何一起上升的。也就是说,要提高输入相机的分辨率(像素数)和帧速率,必须使用更快的处理器。

RX MCU 的运行速度高达 120 MHz。它们是实现图像捕捉(用于运动检测、安全监控等)等功能的理想选择。RX MCU 也推荐用于二维条码扫描和相对简单的字符识别。

RZ/A1 系列中的高端 CPU 的运行速度高达 400 MHz。它们可以轻松处理更复杂的面部和字符识别应用所需的大量计算,以及手势阅读和其他复杂运动检测类型应用所需的大量计算。

图 2 还强调了这样一个事实:随着输入相机分辨率(X 轴)的提高,需要更高的 CPU 吞吐量(通过更宽的总线宽度实现)。例如,中档 RX MCU 足以用于 10 次捕获/秒的 VGA 车辆日间行车记录仪。不过,对于拍摄更高分辨率照片的夜间行车记录仪来说,RZ MPU 可能是必要的。对于必须检测快速移动物体的嵌入式系统产品,可能还需要 RZ MPU,因为电子设备必须能够以快速帧速率处理图像。

四种技术可用于检测和分类运动

运动检测应用是 CMOS 相机模块的主要市场。它们也是客户期望特别高的领域。通常,系统设计规范要求电子设备不仅要检测运动的存在,还要检测运动的类型。

运动检测通常使用四种算法方法之一来实现:时间差检测、背景减法、模板匹配和光流检测。这四种不同的算法如图 3 所示,并在下面进行了描述。

时间差异检测
背景减法
模板匹配
光流

上述前三种算法——时间差异检测、背景减法和模板匹配——使用相对简单的数学计算。因此,它们产生相对较低的处理负载。然而,它们不能很好地处理亮度波动和其他类型的噪声,也不能很好地检测快速移动的物体。

光流检测方法提供更好的性能,但它对 CPU 的处理负载相对较高。

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