嵌入式視覺中的處理平台概念

過去數年來，我們看到一個強大處理板世代的崛起，其能力足以取代過去許多由電腦系統來執行的工作。在機器視覺領域中，工業應用元件同樣愈來愈小。過去又大台又昂貴的相機，現在可以又便宜，設計又特別小巧。

小型處理板與袖珍型相機模組的組合，就是所謂「嵌入式視覺」。嵌入式視覺在許多不同應用領域中都能帶來好處，從醫療診斷器材到工業自動化。

和傳統電腦世界不同，在嵌入式視覺領域中採用的處理器是各不相同的。下列文章將探討不同的處理平台架構，簡單介紹現在的觀念。

系統單晶片 (SoC)

系統單晶片 (SoC) 是所有嵌入式架構的核心。所有實際的影像處理都在此進行。在很多案例中，「SoC」這個詞就和「處理器」同義。實際上 SoC 包含更多東西在內。除了單核心或多核心 CPU (中央處理器)、GPU (繪圖處理器)、介面控制器 (例如 USB、乙太網路、I²C 等)、內部匯流排系統、多媒體硬體 (如影像編碼、解碼)、內部電源管理等，多種功能全部集於單一晶片上。簡言之，SoC 將電腦的許多核心元件融合在一個小小的封裝內。

當代 SoC 的主要代表，包括 NVIDIA 的 Tegra K1、Qualcomm 的 Snapdragon 820，以及 NXP 的 I.MX 系列。

智慧型手機與平板的超快速成長，帶動了 SoC 的發展。大型製造商如 Apple 和三星，有能力自製 SoC。這類專屬 SoC 的開發，必須投入好幾百萬美元，甚至幾十億美元，許多公司只能望之興歎。

SoC 本質上就是嵌入式的計算單元。包括 CPU、GPU、匯流排系統和介面控制器。

系統單晶片 (SoC) 是指許多嵌入式系統中的中央處理器。SoC 包括主要處理器和各種具有特殊功能的不同整合電路，例如介面與輸出入功能，全部集中在單一晶片上。

系統模組 (SoM) 是在一個小小晶片上的完整 (電腦) 系統。以成品模組的型式供應。

系統模組 (SoM)

中小型科技公司困在其中。一方面，SoC 技術可在微型封裝中提供強大的處理器，對於製造出下一代更小更快的產品來說，極具吸引力。但另一方面，創造專屬 SoC 需要投入極高研發成本，企業難以自行研發。這些公司的需求，可以透過採用大型製造商推出的既有 SoC 來充分滿足。

有一系列公司 (Toradex、Inforce、SECO 等) 開發出所謂的系統模組 (SoM，有時也稱為電腦模組 CoM)，來扭轉頹勢。SoM 包含一個 SoC，再加上一些重要元件如 RAM、電源管理與其他控制元件用的匯流排系統，讓 SoC 達到實用層次。可以這麼比喻：SoC 有如沒有對外接觸的工廠，而SoM 加上倉庫、電源供應與良好的運輸連結。它能和工廠負責人溝通。

SoM 有一到兩個插頭連接器，通常採用標準介面，可以讓 SoM (以及所有 SoM 上的元件，包括 SoC) 對外通訊。持平而論，無法直接用這些插頭連接器來連上外部裝置 (如網路、電源或相機)。因此需要一張載板。

雖然如此，只要講到 SoM 的組件，SoC 就包括在內。

系統模組 (SoM) + 載板

上面提過，SoC 內部只有介面控制器。還缺少實體連接器 (例如乙太網路插頭)。載板就是扮演這種角色。如上所述，SoM 的底部具有標準插頭連接器，因此可以連上一張載板。載板提供連接顯示器、控制單元與相機等周邊設備所需的實體連接器。和 SoC、SoM 不同的是，載板相對更容易開發。嵌入式技術的模組化取向，讓開發人員傾向外購現成的 SoM，自行開發載板。這樣比完全客製化的設計便宜 (見下方) ，但帶來無比的彈性，因為開發者可以決定要在載板上搭載哪些插頭。USB、GigE 或專屬相機連接器皆可，也可以使用 28 針 LVDS 連接器來連接一台或多台 dart BCON 相機。

‌請注意：SoM 在某些情形下可能已內建個別實體連接器。例如，適用於嵌入式視覺的 Basler PowerPacks 中的 Xilinx Zynq SoM 就預先搭載一組 USB 2.0 與 GigE 連接器。不過這是少數例外。

具有載版的系統模組 (SoM) 會運用載板來提供連接到周邊設備的實體連接器。

單板電腦基本上就是一個 SoM + 整合在一張電路板上的載板。SBC 並非專為某種應用設計，而是為支援多種範圍應用而開發。

單板電腦 (SBC)

除了模組化的 SoM + 載板的概念外，還有一個選項，就是使用單板電腦 (SBC)。單板電腦原則上就是一個 SoM ＋載板，整合在單一電路板上 (因此稱為單板電腦)。其中最有名的就是樹莓派 (Raspberry Pi)。SBC 在板上已內建一系列連接器 ( 4 組 USB2、1個 MIPI、CSI-2 等)，周邊設備可以直接插上使用，無需另行開發載板。優點：SBC 很容易投入作業。缺點：例如要是需要有第 5 個 USB 2.0 連接器，像樹莓派這樣沒有彈性的 SBC 概念是無法提供的。因此雖然 SBC 象徵最低的開發時程與成本，但使用靈活度也是最差的。如果有公司想大量販售對應特定應用的 CPU，SBC 就不是好的選擇，因為會具有應用所不需要的各種連接器或元件。這個認識讓我們來到最後一種嵌入式架構的概念，也就是完全客製化設計。

完全客製化設計

為完整介紹各種不同的嵌入式架構，就一定要提到完整客製化設計 (Full Custom Design, FCD)。FCD 是由某公司專為某種應用而開發的單板電腦，且不打算單獨出售該批 FCD。反之，將之用於更大型的系統內。所以 FCD 就是一種高度客製化配置的電路板，上有 SoM 加載板。

範例：一家醫學工程公司計畫開發一種手持裝置，用來擷取並追蹤皮膚上可疑痣的影像。SoM ＋載板會是一個選擇，但由於要將 SoM 裝上載板會佔用太多空間，因此不可行。

該公司打算銷售數千台這種產品。在這種情形下，該公司認為，自行開發自有的 SBC (單一電路板上的 SoM + 載板) 會是經濟上可行的方案。這個方案是高度對應特定應用，但也極度成本最佳化，因為只包含該應用實際需要的元件。

完全客製化設計包括銲在一張電路板上的 SoM + 載板。這種方案經過極度的成本最佳化，且為高度應用專屬。

總結

在嵌入式視覺中，處理板的角色十分重要。有多種設計這種電路板的方式。

依產品數量、專業知識、下屬系統類型與影像處理的需求，有多種不同概念可供選擇。可以選擇的項目包括相當傳統，具備一張小型單板電腦的視覺系統，到整合 SoM 或 SoC 於客製化載板上的模組系統，甚至是全新的完全客製化設計。

開發者愈是自現成元件中選擇處理平台，開發與整合的成本就愈高；但是如果能夠生產出大量單元，單元價格就愈低。

哪種概念最適用於你的應用？我們希望這篇文章能讓你更加了解。