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  • 了解嵌入式视觉

    嵌入式视觉现在是热门话题。Steve希望分享收获。和他一起了解他的第一个嵌入式视觉项目吧。

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什么是嵌入式视觉?

近年来,微型化的发展趋势已经在电子元件的许多领域中获得了市场的认可。比方说,集成电路(IC)的集成化程度越来越高。而在电子元件行业中,电路板的尺寸变小了,功能也更强。这也使得PC、手机和相机日渐变得精巧,功能愈发强大。在视觉技术领域中也同样出现了这种趋势。

传统的机器视觉系统是由一台工业相机和一台PC组成:

数年前,两者的体积都比现在大得多。但随即不久,尺寸越来越小的PC逐渐进入大众视野。在此期间,整个行业见证了单板机(SPC)的面世,即一种建立在单块电路板上的电脑。与此同时,相机电子元件也变得更精巧,成功做出了更小巧的相机产品。为了不断追求更极致的集成度,现在市场还提供不带外壳的小型相机,方便用户轻松集成到精巧的系统中。

如今得益于体积变小的PC和相机,我们凭借这两项发展成果,为新应用设计出更为精巧的相机视觉系统。这些系统就是嵌入式(视觉)系统。

  • 嵌入式视觉系统的设计与使用

    嵌入式视觉系统的设计与使用

    举例而言,嵌入式视觉系统是由相机(即所谓的板级相机)组成,而相机需要与处理板相连。处理板替代了传统机器视觉设置中PC所扮演的角色,负责代替其执行任务。由于处理板比传统机器视觉设置中的PC实惠得多,因此视觉系统不但变得更小巧,而且更具成本效益。嵌入式视觉系统采用的接口主要有USB、Basler BCON(基于MIPI)或BCON(基于LVDS)。

    嵌入式视觉系统可广泛适用于一系列的应用和设备,例如医疗技术、汽车、工业和消费者电子产品。嵌入式系统能助力衍生新产品,因此能为多个领域提供创新机遇。

     
  • 哪些嵌入式系统可供使用?

    哪些嵌入式系统可供使用?

    在所有嵌入式处理解决方案中,最受欢迎的核心选项就是片上系统 (system on chip,简称SoC)。这项技术是在单块芯片上集成一个(或多个)CPU、图形处理器、控制器、其他专用处理器( DSP,ISP)以及其他组件。

    得益于这些效率出众的SoC组件,嵌入式视觉系统终于在近期实现了低成本、小尺寸的设计。

    嵌入式系统中还有受市场欢迎的单板机(SBC),例如Raspberry Pi®或DragonBoard®。单板机是采用(USB、以太网、HDMI等)公认接口的迷你电脑,它所提供的一系列功能与传统PC或笔记本电脑类似。尽管如此,单板机的CPU不及它们的强大。

    嵌入式视觉解决方案的设计也可以采用所谓的系统模块(system on module,简称SoM,也可称为模块上电脑或CoM)。原则上,SoM是一块包含了嵌入式处理平台核心元件的电路板,例如SoC、储存器、电源管理器等。在根据各应用要求对SoM进行定制化时,需要利用单独载板来进行(如配合恰当的接口)。载板是通过特定的连接器来与SoM相连,其设计和制造过程相对较为简单。一方面,因为市面上有可用的成品,加之可通过载板来单独进行定制化,因此SoM(或整个系统)具备较好的成本效益。

    对于大批量的应用需求,以全定制设计的形式来采用完全独立的处理板也不失为一种合理的选择。

     
  • 嵌入式视觉系统与标准视觉系统的特性比较

    嵌入式视觉系统与标准视觉系统的特性比较

    上述大部分单板机和SoM都不包含标准PC中常见的x86系列处理器,它们采用的往往是基于ARM架构的CPU。

    ARM处理器领域中广泛使用开源的Linux操作系统来作为其操作系统。Linux可提供大量的开源应用程序以及数不清的免费程序库。而基于x86的单板机的采用率也在不断拓展。嵌入式系统的可用空间始终是选择电脑时的一项关键标准。

    嵌入式视觉系统与标准视觉系统的特性比较

    对于软件开发商而言,为嵌入式系统开发程序比在标准PC上进行开发要复杂得多。具体而言,开发标准软件时所用的PC本身也是主要的目标平台(即程序在后期也会在此类电脑上运行),这点与嵌入式软件的开发方式不同。因为嵌入式软件的目标系统的资源(CPU性能、内存等)有限,因此一般无法用于开发工作。所以,开发嵌入式软件时也会使用标准PC,以便在PC上进行编程,并需要利用可能非常复杂的工具来进行编码。然后,经过编码的程序必须复制到嵌入式系统上,随后进行远程调试。

    在开发软件时,用户应注意:嵌入式系统的硬件概念是以特定应用为方向的,因此这与广泛适用的PC存在显著差异。

    然而,有时无法清晰地界定嵌入式系统与桌面电脑系统之间的界限。就以受市场欢迎的Raspberry Pi为例,一方面它具备许多嵌入式系统的特征(基于ARM、单板结构),但另一方面,它却可以处理非常复杂的任务,并且当连接上显示器、鼠标和键盘后,它就能摇身变为了一台普通的电脑。

     
  • 嵌入式视觉系统的优势是什么?

    嵌入式视觉系统的优势是什么?

    在部分情况下,嵌入式视觉系统的优点很大程度取决于其设计方式。作为标准产品的SBC(单板机)往往是不错的选择,它是一台尺寸精巧、使用简单的电脑。此解决方案也适合那些过去不曾涉足嵌入式视觉领域的开发商采用。

    但另一方面,此类单板机系统会包含一些用不上的组件,因此通常无法实现最为精益的系统配置。所以,这种方法在制造成本方面的表现不够经济实惠,更适合对单元数量需求低的应用,因为此类应用必须控制较低的开发成本,同时制造成本也是次要考虑的重要因素。

    使用全定制设计则可以实现最为精益的设置,这是一种为单独应用进行高度优化的系统。但此过程涉及较高的集成成本和开发开支。因此,这种解决方案适用于对单元数量需求高的应用。

    另外,市面上提供的传统系统模块(SoM)以及经过妥善定制化的载板可以为用户提供折衷的方案,在SBC和全定制设计之间提供一种选择(请参阅:本文“现有哪些嵌入式系统可供选择?”一节)虽然这种方式的制造成本不如全定制设计理想(毕竟用载板来配合通用SoM会略更复杂),但是至少硬件开发的成本相对较低,因为硬件开发中涉及的重要部分都已经在SoM中完成了。对于中等规模的单元数量需求而言,用户必须在制造和开发成本之间达到较好的平衡,所以基于模块的方法是非常理想的技术选择。

    嵌入式视觉系统优点一览:

    • 实现更精益的系统设计
    • 重量较轻
    • 不含不必要的硬件,更具成本效益
    • 制造成本较低
    • 电源消耗较少
    • 截面尺寸较小
     
  • 哪些接口适合嵌入式视觉应用?

    嵌入式视觉是不少应用的技术选择,因而对其的设计要求也是五花八门。Basler根据不同的规范要求,特别提供了一系列配备不同芯片、分辨率和接口的相机产品。

    Basler为嵌入式视觉系统提供的三个主要接口技术是:

    • USB 3.0:适合在基于Windows或基于Linux的系统(x86或ARM)中实现即插即用的集成
    • Basler BCON(基于MIPI):通过MIPI CSI-2接口连接到基于ARM的Linux系统,实现简易集成和精益的系统设计
    • Basler BCON(基于LVDS):通过LVDS接口特别连接到基于FPGA的系统,实现精益的系统设计

    所有接口技术均可与相同的Basler pylon SDK配合使用,因此大大简化了转换接口技术时的工作难度。

    Knowledge Base dart Portfolio

    USB 3.0

    USB 3.0是简单实现相机即插即用功能的合适接口,也是将相机连接到单板机的理想之选。Basler pylon SDK让用户仅需几秒即可访问相机功能(如查看图像和设置),因为USB 3.0相机符合相关标准,并且兼容GenICam。

    优点

    • 方便简单地通过USB 2.0或USB 3.0连接到单板机
    • 在Raspberry Pi®、NVIDIA Jetson TK1等其他多种系统中对相关解决方案进行了实地测试
    • 为带有关联基板的SoM提供可盈利的解决方案
    • 数据传输稳定,带宽可高达350 MB/s
    Knowledge Base dart BCON Portfolio

    BCON

    BCON的全称是Basler Connectivity(Basler连接技术),它的面世为嵌入式行业中已确立的数据传输标准(如LVDS或MIPI CSI-2)又增添了一系列可靠、高效的机器视觉功能。与过去相比,机器视觉标准(GenICam)和pylon SDK的行业集成成果已经大大简化了我们处理基本技术的方式。

    • 采用BCON技术(包括基于LVDS以及基于MIPI的BCON)的Basler相机同样配备适用于扁平柔性线材的28孔ZIF接头。我们成功通过此连接方式实现了全部相机功能:
    • 通过D-PHY(基于MIPI的BCON)或LVDS(基于LVDS的BCON)进行图像传输
    • 通过I²C(基于LVDS的BCON)或CCI(基于MIPI的BCON)进行相机配置
    • 为相机模块提供5 V电源
    • 提供I/O功能,如通过外部来触发相机或控制光源

    BCON(基于MIPI)

    BCON(基于MIPI)可以通过MIPI CSI-2接口直连嵌入式处理器。MIPI CSI-2是移动行业处理器接口联盟(Mobile Industry Processor Interface Alliance,简称MIPI)的标准化相机接口。CSI-2的全称是第二代相机串行接口(Camera Serial Interface of the 2nd generation)。目前,CSI-2是移动应用中最重要的相机接口,例如可将手机相机模块连接到手机处理器等应用。由于几乎所有嵌入式领域所用的处理器(SoC、片上系统)通常配备两个CSI-2接口,因此MIPI不失为一个兼顾宽带(高达750 MB/s)和实惠的理想解决方案,不需要使用其他硬件就可以直接将dart相机模块连接到嵌入式SoC。

    MIPI CSI-2技术原本是为消费者手机模块而设计,现在这项技术已借助BCON接口获得技术强化,具备了重要的机器视觉功能(如系列图像捕捉和变化万千的相机配置选项),并集成到GenICam标准中:从而让MIPI升级为基于MIPI的BCON接口。

    再配合由Basler为支持平台提供的驱动程序以及pylon相机软件套装,用户就可以真正通过即插即用的方式来运行dart相机模块,不会产生任何额外的集成成本。

    优点

    • 借助安装简单的Basler驱动程序软件包,dart模块可以简易集成到嵌入式应用中
    • 完全兼容GenICam
    • 作为标准API的pylon——与其他Basler一样,统一的pylon SDK可支持采用BCON(基于MIPI)接口的dart相机,从而使用完全相同的API。这意味着只需几行代码即可让dart模块集成到应用中。用户可以重复利用现有的代码,或者也可以将现有代码从另一种相机接口技术或操作系统中移植到Linux ARM系统下的BCON(基于MIPI)
    • 提供开发工具包
    • 设置精益,经济实惠:使用价格亲民的柔性扁平电缆,即可将配备BCON(基于MIPI)接口的dart模块直连到目标SoC的CSI-2输入端,无需设置其他硬件。
    • 图像数据传输稳定可靠,带宽可高达750 MB/s

    BCON(基于LVDS)

    BCON(基于LVDS)是由Basler开发的基于LVDS的接口,它可以实现将相机直连到处理平台的LVDS输入端。特别是此技术包含了如FPGA(现场可编程门阵列)或FPGA SoC(集成CPU单元的FPGA)等逻辑单元。相机直连FPGA的技术选项可以实现精益求精、经济实惠的整体设计。

    经过量身定制的Basler pylon SDK可以与BCON(基于LVDS)接口配合使用。这种方法可以借助pylon API,在用户应用中轻松地更改相机设置,例如曝光时间、增益或像素格式。应用的图像采集必须单独落实,因为这需要取决于所用的硬件。

    优点

    • 可通过基于LVDS的图像数据交换技术来直连到FPGA
    • 借助pylon SDK,可通过标准I²C总线来配置相机,无需进一步进行编程
    • 完全兼容GenICam标准。
    • 对数据协议提供全面公开的记录
    • 开发工具包提供实施参考案例
    • 为设有最大空间限制的应用提供灵活的柔性扁平电缆和小型接头
    • 直接在相机上进行图像处理。获得出色的成像质量,无需担心影响下游处理板中极为有限的资源
    • 数据传输稳定可靠,带宽可高达252 MB/s
     
  • 如何开发嵌入式视觉系统?如何整合相机?

    虽然对于不太了解嵌入式视觉的开发人员来说,开发嵌入式视觉系统比较困难,但还是有很多可能。尤其是,从标准机器视觉系统切换到嵌入式视觉系统可以更加方便。除了其嵌入式产品线,Basler提供了可以简化集成的许多工具。

    通过我们的simpleshow视频,了解如何开发嵌入式视觉系统以及如何轻松进行相机集成。

     
  • 嵌入式视觉应用中的机器学习

    嵌入式视觉应用中的机器学习

    嵌入式视觉系统通常需要对相机拍摄的图像进行分类: 例如,在传送带上区分圆形和方形饼干。过去,软件开发人员投入了大量的时间和精力开发用于根据类型A(圆形)或 B(方形)的特性(特征)对饼干进行分类的智能算法。在此示例中,这可能相对简单一些。然而,对象特征越复杂,这个任务就越困难。

    但是,机器学习算法(例如,卷积神经网络,CNN)不需要输入任何特征。如果为算法提供了大量圆形和方形饼干的图像,以及哪些图像代表哪种类型的信息,算法可以自动学会如何区分两种类型的饼干。如果对算法展示了新的未知图像,它能根据已经看到的图像的“经验”确定该图像属于两个品种中的哪一种。在图形处理器(GPU)和FPGA上该算法特别快。

     

Basler为嵌入式视觉提供了哪些产品?

采用LVDS接口“BCON”的Basler dart和采用USB 3.0接口的Basler dart

采用LVDS接口“BCON”的Basler dart和采用USB 3.0接口的Basler dart

什么相机适合我的嵌入式视觉应用?

了解Basler用于各种嵌入式视觉系统的经过测试的相机种类和相机模块。
嵌入式视觉专用套件

嵌入式视觉专用套件

您在寻找适合集成到嵌入式项目的相机需要什么帮助吗? 借助于Basler dart USB相机的专用即插即用评估套件,Basler简化了这一过程。

详细了解用于相机评估和将图像处理集成到嵌入式视觉专用套件。
Basler pylon嵌入式视觉应用软件

Basler pylon嵌入式视觉应用软件

Basler久经市场考验的pylon相机软件套装为用户提供了友好易用的SDK,它适用于嵌入式视觉产品。

在此详细了解用于嵌入式视觉应用的pylon
嵌入式视觉组件

嵌入式视觉组件

嵌入式视觉系统的组成部分,除相机和处理板,还有很多其它组件。要建立一个稳定的解决方案,您需要配备与相机和应用完美匹配的组件。

了解Basler嵌入式视觉系统的宽广组件产品线,包括镜头、线材和镜头配件。