CMOS图像传感器在工业自动化中的应用

成像正在成为许多嵌入式系统开发的关键部分。本文着眼于图像传感技术 - 从传感器到算法和IP - 越来越多地可用于工业视觉。

图像传感器在各种工业自动化应用中越来越受欢迎。成熟的CMOS技术正在提供更大的传感器阵列，以提供更大的视野，以及更快的图像捕获，以满足视觉检测的要求。同时，新的成像架构和新的软件算法正在提高识别速度，并使系统更具成本效益。随着现场可编程门阵列（FPGA）密度的增加和成本的降低，这些算法在工厂车间变得越来越有用，再次有助于图像传感器的普及。虽然传统观点认为机器视觉需要最高分辨率（见表1），但CMOS设备的新架构可提供更高的性能，而标准CMOS设备则用于工厂车间的更多成像和自动化应用。

终端设备类型典型分辨率HDTV 1920 x 1080像素数字影院4096 x 1714像素视频会议1280 x 720像素医学影像3000 x 3000像素工业监控1280 x 720像素军事监视4000 x 4000像素机器视觉4000 x 4000像素

CMOS传感器是工业成像的支柱。虽然它们的分辨率不如双极电荷耦合器件（CCD），但它们具有成本效益和坚固性，可用于工业成像。汽车市场中用于车道检测等应用的相同耐用性和可靠性现在可用于工业视觉。虽然CCD在工业视觉中具有性能优势，但主流传感器和相机的成本降低使得视觉成本有效地用于工厂车间，高端CMOS传感器的性能提升直接与CCD技术竞争。

新设备可以以每秒600帧的速度捕获图像，用于基本机器视觉应用，动态范围超过64 dB。像素的流水线操作可以在读出前述帧期间集成帧;正是这种结构，以及1/50，000的低寄生光灵敏度，可以将传感器的固定模式噪声（FPN）降低到室温下小于0.1％的全摆幅和暗电流噪声。

图1：用于工业成像的CMOS技术。

FPGA支持工业成像

FPGA的降低成本和不断增加的密度也有助于提高视觉系统在工业自动化中的渗透率。 Altera和Xilinx等厂商正在其低成本FPGA系列上实现可视化处理算法，这些FPGA系列现在具有足够的逻辑和存储密度以及内存在该市场中非常有效。莱迪思还在优化其FPGA，作为特定图像传感器的接口，例如来自Aptina的图像传感器，以便更快，更轻松地构建视觉检测系统。例如，Altera的可重编程Cyclone III FPGA现在可以实现低成本的H.264编码器或用作DSP协处理器，以最小的工程工作量为系统添加可视处理功能，如滤波器和平滑功能。这对于检查和监视系统来说非常强大，允许为特定应用程序实现一系列第三方算法。 Cyclone III EP3CLS150F484C8具有超过150，000个逻辑单元，用于支持图像IP; Altera的评估板和评估板，如DK-DEV-3C120N和Terasic的P0037，与Altera的Quartus开发工具一起提供了这些器件的开发平台。

图2：Cyclone III FPGA开发套件。

内存最高可达4 Mbits的片上内存，用于视频帧缓冲。数字信号处理（DSP）乘法器高达288个嵌入式18位x 18位乘法器，性能为260 MHz，可处理DSP密集型视频算法。视频和图像处理（VIP）套件一套9个预先优化的视频和图像知识产权（IP）内核，包括去隔行器，缩放器和滤波器。 Nios II Embedded

软处理器多功能嵌入式软处理器，用于实现低成本微控制器。

为了支持更高带宽的传感器，Aptina使用名为HiSPi的高速串行接口。这可以在一到四个串行数据通道和一个时钟通道上运行。每个信号都是差分信号，可以高达700 Mbps的速度运行。这是FPGA的理想应用，莱迪思半导体使用Lattice XP2-5非易失性FPGA创建了从HiSPi到并行总线的桥接器（图3），该FPGA符合工业温度范围。 RD1120参考设计支持多种HiSPi格式，如分组化或流数据，并已使用Aptina传感器进行测试。

图3：Aptina HiSPi高电平的莱迪思电桥实现速度图像传感器接口。

莱迪思还推出了一款适用于IP摄像机HDR-60的参考设计，这是一款基于莱迪思FPGA系列的可投入生产的高清摄像机，可用于工业自动化应用。

该设计预装了一个基于德国莱迪思合作伙伴Helion IP核的图像处理流水线，可以提供1080p分辨率，每秒60帧，具有2D降噪和高动态范围（HDR）。它的设计适用于市售的相机外壳，能够通过简单的USB接口同时支持两个传感器。该套件采用Aptina 720p HDR传感器，提供业界最快的自动曝光，超过120 dB的系统动态范围，高效的自动白平衡算法和2D降噪 - 所有这些都通过FPGA实现流式传输而无需外部帧缓冲器，可实现极低的延迟并降低系统成本。板载DDR2内存还支持3D降噪，多个传感器的图像拼接，图像旋转和去翘曲等应用。

虽然该套件采用LatticeECP3-70 FPGA设计，但IP管道仅需要较低密度的LatticeECP3-35器件，剩余空间可用于实验和添加自定义IP。

图4：莱迪思HDR-60 IP高清摄像机参考设计的图像处理流水线链接到Aptina图像传感器。

Xilinx Spartan-6也用于工业视觉系统。这可以支持广泛的图像处理IP，用于边缘增强，缺陷像素和颜色校正，以及滤色器阵列插值。

工业成像的参考设计使用带有两个子卡的Spartan-6 LX150T FPGA和带DVI/HDMI输出和DVI/HDMI输入的双图像传感器输入。

Systems

传感器本身的分辨率和帧速率只是工业用户面临的挑战之一。还有其他问题，如温度，湿度和EMC，需要由相机制造商解决。

Aven Tools的26100-240 130万像素摄像头使用Aptina 1/3英寸传感器（3.6微米x 3.6微米像素），以15 fps的速度提供1280 x 1024的水平分辨率。这是针对工业应用，通过USB 2.0的科学级非破坏性图像输出和专利设计，以防止电磁干扰，在恶劣的工业环境中至关重要。 220 g装置可轻松安装到生产线上，并通过标准USB电缆连接回控制器。

图5：26100-240 1.3 Aven Tools的百万像素摄像头。

微型相机正在进入受空间限制的工业应用。这些相机尺寸仅为29 x 29 x 30 mm，直接针对机器和计算机视觉应用，具有以60 fps运行的320万像素传感器和USB 3.0接口。

USB 3.0正在迅速获得业界的认可，这主要得益于其更高的带宽，更高的可靠性和架构，以及各种硬件平台上的广泛可用性。 USB 3.0的传输速度为384 MBytes，几乎是USB 2.0的10倍，比Firewire快5倍。现在，许多嵌入式系统都提供USB 3.0端口，可最大限度地提高系统兼容性，并最大限度地减少对附加PCI或PCI Express接口卡的需求。

结论

CMOS技术已经迅速赶上了CCD的性能。凭借Aptina的A-Pix等新型像素架构和HiSPi等高速接口，CMOS传感器可提供与CCD相同的性能水平。随着FPGA技术密度的增加和成本的降低，现在有更多机会与图像传感器一起实施新算法，以进一步提高成像的准确度和分辨率，并允许更具成本效益的渗透到工业市场。更精确的边缘和图案检测算法有助于系统设计在特定应用中充分利用图像传感器的性能。

随着更多CMOS传感器被应用于汽车设计中，具有更宽的温度范围和抗干扰性，该技术正在工业成像和视觉系统中得到应用，从而减小了尺寸，功耗和成本，同时实现了生产线的更多自动化。从监控摄像头到特定的视觉检测系统，CMOS图像传感器是许多工业应用的核心。