为嵌入式视觉应用选择合适的相机是设计流程的关键一环。为打造创新解决方案，除相机尺寸、重量和功耗 (SWaP) 之外，还需考虑很多重要影响因素。工业相机已在相关行业应用多年，形成了成熟稳定的生态系统。工业相机及其搭载的传感器经过校准，其最大优势在于触发特性、全局快门传感器、标准软件接口、长期可用性和结果的可重现性。上述特性对于嵌入式视觉产品的品质和可维护性具有深远的影响，因此深入理解这些内容是嵌入式视觉产品设计的关键要素。

在本篇技术论文以及相应的演讲报告中，我们分析了工业相机的核心特性，并着重介绍了它们在嵌入式系统中的独特优势。

I.引言

嵌入式主机系统可执行最复杂的视觉应用。现如今市场上有无数款相机可供嵌入式系统设计人员选择，但多数情况下选用的是MIPI CSI-2相机模块。这类模块通常为消费级电子产品，体积小、功耗低、价格实惠。MIPI CSI-2接口模块能够通过直接存储器访问 (DMA) 接收图像并将其发送至系统的主存储器中，许多系统级芯片 (SoCs) 都配备了MIPI CSI-2接口模块，因而该接口成为嵌入式应用中便捷适用的绝佳选择。

但另一方面，工业相机的许多特性是这些简易的相机模块所不能提供的。经过多年演化，工业相机成为了易用、可灵活扩展且可维护的产品。本文介绍了工业相机现状，同时讨论了它们能够为嵌入式系统设计者所带来的价值。

II.工业相机行业现状

A.工业相机产品线

大多数工业相机厂商都提供涵盖多种相机机型的产品线。在这类产品线中，许多相机具有大量同质特性，其中包括相机机械尺寸、镜头接口和接头，以及软件界面和相机功能。多数情况下，图像传感器是产品线中相机机型的决定性因素。通过不同的镜头接口、外壳和接口组合，可组成大量型号各异的相机。例如，Allied Vision Alvium相机系列[1]目前可搭配32种传感器，涵盖了近500款机型。工业级相机具有长达15年或更久的长期可用性，由于产品线丰富，使某款图像传感器停产，仍可通过更换近似的传感器从而使产品保持极高的功能相似度。

而对于嵌入式应用，发展成熟的产品线大有裨益。每个使用此产品线中相机型号的应用，在使用其他任意型号时也能保持运行，几乎不会发生任何变化。多种机械版本选项为具有特定机械要求的应用在型号选择方面提供了便利。然而，某些极端特殊的应用不具有能够与之有效匹配的相机型号，在这种情况下，一些厂商则可以接受像不同滤镜、其他外壳颜色或增加相机内置处理功能等定制内容。

B.机械结构

在工业视觉发展的早期，相机尺寸和外形是非标准化的。

其设计主要受视频监控摄像机的启发，具有狭长的矩形外形，甚至圆形相机外壳也一度在市场中频频出现。经过一段时间的震荡洗礼，一个不成文的标准开始盛行——许多相机厂商生产的相机都具有29x29毫米的前面板。这是因为使用最广的C型接口镜头标配25.4 mm (1") 螺纹。由于长度仅有29 mm，这款相机归类为的紧凑型。  当需要更大空间时，许多相机采用29 x 44 mm或35 x 35 mm的前面板尺寸。

大多数情况下，工业相机上采用的是标准镜头接口，而非固定连接的镜头。标准化的S型接口 (M12)、C型接口或CS型接口是最常用的镜头接口，市面上具有种类繁多的此类镜头。

另一项机械因素是传感器与镜头接口的校准。某些工业相机厂商在生产过程中降低了传感器的x、y漂移、光学后焦距以及倾斜标准。后者非常关键，因为即使是很小的倾斜也会严重影响图像边角区域的清晰度，且在生产完成后无法修复。如图1所示，精确校准和90 µm倾斜的2/3英寸传感器拍摄的图像明显不同。虽然倾斜度仍相对较小，但它对清晰度的影响是巨大的。

图1.光圈f/2.8 f-stop、像素尺寸33µm的2/3"传感器在传感器精确校准和90 µm倾斜时所拍摄的图像。 a) 电路板的完整图像。b) 到 e) 边角和中心区域的放大图。 b) 精确校准时的边角区域图像。c) 精确校准时的中心区域图像。 d) 传感器90微米倾斜时的边角区域图像。e) 传感器90 µm倾斜时的中心区域图像。

对于嵌入式应用而言，标准化的相机机械尺寸以及稳定的传感器制造和校准品质具有重要价值，是连续生产产品时保证全部生产产品顺利运行的基石。

C.图像传感器

大多数工业相机制造商都使用像索尼或ON Semiconductor等传感器制造商的图像传感器产品，将其集成到自有产品线中。市面上提供了多样的图像传感器，包括黑白、彩色，甚至近红外 (NIR) 感光型号。从价格便宜的卷帘快门成像器，到高品质的全局快门成像器，均有涉及。如果物体和视野间具有较大相对速度，全局快门技术的运动伪影远远低于卷帘快门。卷帘快门传感器逐行曝光像素，每行间的曝光时延为固定非零值。这将导致图2所示的所谓“卷帘快门效应”。全局快门传感器则同时曝光所有像素，从而避免图像中出现伪影。

图2.正在运转的通风机照片。左图：使用卷帘快门传感器拍摄，可以看到卷帘快门效应。这是由逐行曝光所引起的。右图：使用全局快门传感器拍摄的同一通风机。由于图像传感器同时曝光所有像素，避免了图像伪影。

C型接口相机的传感器对角线尺寸通常在1/3.6"到1.1"之间。对于S型接口相机，2/3"是较为合理的传感器角线长度最大值，因为更大尺寸的传感器将使渐晕效果较为明显。除C型接口相机以外，尺寸在紧凑型以上的相机可使用全画幅(35mm）传感器或更大的传感器。

对于标准可见光传感器，像素尺寸在1.25 µm到约9 µm之间。当传感器尺寸较小时，像素尺寸越小，提供的图像分别率越高。而较大的像素尺寸能够从场景中获得更多的光线，这在低光照应用中优势明显。

对于嵌入式应用，如果传感器选择范围广且可直接集成进相机中，将受益颇多。每款传感器与其他产品都存在许多方面的巨大差异，如电源、封装、接口、时序——工业相机将通过设计通用硬件和软件接口，以规避这类差异影响。

D.接口

不同的应用具有不同的通信接口，各自使用不同的协议且具有不同的电气特性。多年以来，工业相机使用了多种接口并对其进行了标准化，其中包括FireWire、USB2、USB3、千兆以太网、CameraLink、PCIe、CoaXPress以及CSI-2。这些接口标准各自在最大接线长度、带宽、可用性、稳定性或成本方面具有优势。尽管协议和数据传输之间存在着巨大的差异，标准委员会的成员仍设法通过EMVA（欧洲机器视觉协会）的GenICam等标准进行标准化[2]。通过这一系列标准，确保了所有这些接口之间的兼容性、代码可复用性和互换性。

E.相机功能

为满足应用需求，工业相机通常具有可配置的功能。由于GenICam标准只强制规定少数功能，相机功能组合由厂商定制。许多相机都内置了图像信号处理器 (ISP)，为常用的图像处理任务（如去去马赛克和不同像素格式间转换）提供算力。较为流行的ISP功能包括缺陷像素校正(DPC)、伽马校正、色调调整或某些基本功能，如曝光时间或增益自动设置。

除D.部分所述的标准控制和数据流接口外，许多相机还提供了可配置的输入和输出引脚。输入可被用于相机触发，这是另一个非常重要的功能模块。通过硬件或软件触发，用户能够精准地触发单张图像或多张图像的拍摄。硬件输出信号可被用于多种不同的应用中。根据应用的要求，可控输出线或图像采集同步信号可被用于光源、其他相机或其他任意硬件组件的控制。高级相机能够生成覆盖大范围时序约束的输出信号。

对于嵌入式系统的设计人员而言，相机内置的ISP具有极高的价值，因为它消除了在主机上进行图像预处理的需求。这将减少开发成本、上市时间和系统成本，并加速与应用特定相关的图像分析速度。此外，精确的图像采集时序对于嵌入式应用而言也变得越发重要，特别是需要对目标进行单次拍摄时，或多台相机需要进行同步时。

F.软件集成

正如D.小节所述，大多数工业相机都符合EMVA标准，支持将不同厂商的相机集成到一套系统中。EMVA GenICam标准的核心思想是相机的自文档化。每个设备都向主机系统提供了一个XML文件，用于声明其功能和性能。这样一来，主机的软件堆栈就不需要对相机及其功能具有任何预先的了解。相机厂商通常通过提供符合GenICam标准的软件开发工具包 (SDK)，控制相机功能并生成预处理图像。这为建立基于应用的大众开源图像处理及多媒体库（如OpenCV或GStreamer）提供了一条捷径。部分商业图像处理库——如STEMMER IMAGING的Common Vision Blox、MVTec Software的HALCON或MathWorks的MATLAB——也将GenICam标准接口融入自身软件中，从而使所有符合GenICam标准的相机均具有简易且开箱即用的兼容性，甚至不需要使用厂商的SDK。

在基于Linux的嵌入式系统上，Video for Linux (V4L2) 是Linux内核的媒体子系统中最先进的相机应用程序接口 (API) [3]。该接口成熟且易于使用，但与GenICam接口相比，功能更少且性能更低。此外，在内核及V4L2驱动程序中，相机功能是静态的。即，如果想要为用户提供额外的相机功能，必须通过自定义代码以及Linux IO控件或V4L2控件对驱动程序进行扩展。

最近上市的工业相机，如Allied Vision的Alvium系列，其CSI-2相机以及适用于NVIDIA Jetson TX2、Nano、Xavier和Xavier NX的驱动程序均原厂支持此接口。混合驱动程序支持V4L2和GenICam以用户首选方式访问相机[4]。通过一套驱动程序支持全产品线，可在不更换软件的情况下灵活选择多种型号的相机。

III.结论

工业相机生态系统已经过多年发展，现已形成以用户为中心、简便易用的生态环境。本文展示了工业相机的多种特性，能在产品整个寿命周期为嵌入式系统设计人员提供额外价值。工业相机的额外功能是其优势所在，如内置图像处理及额外功能、标准镜头接口、多种图像传感器、标准软件接口、更短的上市时间、可维护性和互换性。工业相机领域的最新成果可让CSI-2接口集成到工业相机中，受到嵌入式设计人员格外关注，因为此举将工业相机领域与系统级芯片 (SoCs) 和嵌入式Linux领域融合在一起。

参考文献

[1].www.alliedvision.com

[2].www.emva.org

[3].https://www.kernel.org/doc/html/v4.16/media/kapi/v4l2-core.html

[4].Sebastian Guenther, “Image Processing Capabilities on Embedded Platforms, their APIs and Required Resources”, Embedded World 2020