隨著圖像系統(tǒng)的應(yīng)用日益多樣化，對(duì)攝像頭系統(tǒng)的要求和設(shè)計(jì)約束也更為繁多。但基本原理并未改變：要做的就是快速準(zhǔn)確地在一維或兩維中定位攝像頭；調(diào)焦、取像并處理圖像。但是圖像系統(tǒng)現(xiàn)已被用于多種不同的應(yīng)用和環(huán)境中，從監(jiān)控、安防到工業(yè)機(jī)器視覺(jué)和程序控制，以及車(chē)輛上的避障和盲點(diǎn)輔助，無(wú)所不包。結(jié)果導(dǎo)致對(duì)設(shè)計(jì)的要求不斷增加，比如降低功耗、減小尺寸，在安全關(guān)鍵的應(yīng)用中，還需要具有切實(shí)可信的可靠性。同時(shí)，這些新應(yīng)用本身的要求更為苛刻：系統(tǒng)需要更快地取像，并執(zhí)行更多的處理任務(wù)。它們也需要在各類(lèi)條件下工作：比如，在光線(xiàn)強(qiáng)度變化的條件下， 同時(shí)它們也要耐受（并且按規(guī)格運(yùn)轉(zhuǎn)）嚴(yán)酷的環(huán)境，比如在工業(yè)環(huán)境和車(chē)輛中會(huì)遇到的各類(lèi)情況。

　　在系統(tǒng)層面，這些不斷增加的要求使得系統(tǒng)集成商和應(yīng)用開(kāi)發(fā)商們?cè)絹?lái)越多地轉(zhuǎn)向他們的供應(yīng)商以尋求幫助。他們需要將全部時(shí)間和資源用于真正能為他們帶來(lái)增值的業(yè)務(wù)：能夠真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用并提供最佳圖像，這一問(wèn)題往往非常復(fù)雜。能夠?yàn)橄到y(tǒng)開(kāi)發(fā)商提供幫助的是，供應(yīng)商的工程師們對(duì)照相機(jī)如何定位并聚焦、是否有適量的光線(xiàn)到達(dá)傳感器或者變焦鏡頭設(shè)置是否正確等“最基本的技術(shù)問(wèn)題”進(jìn)行了考慮。結(jié)果導(dǎo)致攝像頭制造商現(xiàn)在面臨前所未有的壓力，需要提供能夠在較高水平控制，同時(shí)又結(jié)合了易用性的產(chǎn)品。實(shí)際上，朝自動(dòng)或智能攝像頭發(fā)展的趨勢(shì)，可以看作是上述趨勢(shì)的必然延伸。

　　在系統(tǒng)集成商和應(yīng)用開(kāi)發(fā)商向攝像頭供應(yīng)商尋求幫助的同時(shí)，攝像頭以及嵌入式視覺(jué)傳感器制造商也遇到了類(lèi)似情況，他們都寄望于零件制造商能簡(jiǎn)化他們的工作。因此，半導(dǎo)體行業(yè)開(kāi)始引入集成了許多必要功能的多種專(zhuān)用IC，這些功能中有一些原本是在軟件中應(yīng)用的。

　　IC解決方案

　　這一性能非常關(guān)鍵的一點(diǎn)，就是CMOS圖像傳感器IC的改進(jìn)，它可將傳感功能與控制處理功能完美地結(jié)合在一起。再加上成熟的軟件和IP，以及種類(lèi)越來(lái)越豐富的混合信號(hào)運(yùn)動(dòng)控制器件，所以這些都極大簡(jiǎn)化了智能攝像頭的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，賦予設(shè)計(jì)人員充分的自由，使他們能夠?qū)⒕�力集中于可以增加價(jià)值及提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用方面。

　　混合信號(hào)特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP)能夠提供運(yùn)動(dòng)控制和傳感器技術(shù)，這些器件可以結(jié)合使用，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。檢查和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用往往要求運(yùn)動(dòng)為三維形式，這通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，對(duì)速度和準(zhǔn)確度都有非常嚴(yán)格的要求。運(yùn)動(dòng)控制的傳統(tǒng)解決方案包括數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的使用、提供解碼器輸入和電機(jī)輸出的某類(lèi)定制邏輯電路及一組模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC和DAC），還需要與主機(jī)系統(tǒng)連接的接口。

　　單芯片運(yùn)動(dòng)控制

　　通過(guò)將總線(xiàn)連接、定位、控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成于單一封裝，步進(jìn)電 機(jī)控制器等設(shè)備可以取代大量的運(yùn)動(dòng)控制電路。它們?yōu)檫h(yuǎn)程和多維定位應(yīng)用提供微型、高集成度的解決方案。其中包括采用LIN接口或串行連接，因?yàn)樗鼈兊慕孛娓卟坏?mm，占用面積為7mm x 7mm，可以幫助設(shè)計(jì)人員滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的小型化需求。圖2顯示了一個(gè) IC 的框圖，它提 供集成的阻轉(zhuǎn) 檢測(cè)和連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)功能，核心是一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器和50mA-800mA的雙極兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器提供微步進(jìn)操作，因此不需要在速度、噪聲和共振導(dǎo)致的失步之間進(jìn)行權(quán)衡。運(yùn)動(dòng)控制器提供可編程峰值電流，采用20kHz PWM電流控制方案。

　
　　器件通過(guò)它的 LIN 或 I 2 C 接口接收頂層位置指令，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)線(xiàn)圈到需要的位置，無(wú)論它們的起始位置在哪里。運(yùn)動(dòng)控制器可以進(jìn)行配置，通過(guò)它的LIN/串行接口或一次性編程 (OTP) 存儲(chǔ)器，與一系列不同尺寸的步進(jìn)電機(jī)配合使用。該配置過(guò)程包括一次性設(shè)定正確的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，這些參數(shù)包括微步進(jìn)分辨率、運(yùn)行電流、保持電流、加速度和減速度。在 AMIS-30623 和 AMIS-30624 步進(jìn)電機(jī)控制器中，一個(gè)內(nèi)置的“審核模式”可以使設(shè)計(jì)人員檢驗(yàn)選定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否與應(yīng)用要求相匹配。

　　L IN 接口選項(xiàng)可與遠(yuǎn)程應(yīng)用完美搭配：使用總線(xiàn)型系統(tǒng)不僅可以減少布線(xiàn)，還能提高 EMC 性能，這在汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境下是重要的考量因素。I 2 C 版本更適合在單個(gè) PCB 上作為微控制器外圍器件使用。在兩種情況下，AMIS-30623 和 AMIS-30624都能有效作為主驅(qū)動(dòng)器或控制器的輔助器件，可以獲取實(shí)際位置和錯(cuò)誤標(biāo)記等狀態(tài)信息，以確保系統(tǒng)整體平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　使用高層命令接口具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：它減少了主設(shè)備端的處理器負(fù)載；意味著應(yīng)用程序可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展：更為復(fù)雜的實(shí)施中，處理器負(fù)載不會(huì)顯著增加；它也使模塊化硬件和軟件設(shè)計(jì)成為可能，從而在進(jìn)行初始開(kāi)發(fā)以及擴(kuò)展性?xún)煞矫娅@益。

　　為了提供最大程度的靈活性，器件的供電電壓從8V至29V均適用：典型的100μA睡眠模式供電電流，保證它們能夠用于對(duì)功耗最為敏感的應(yīng)用中�？蛇x的無(wú)傳感器停轉(zhuǎn)檢測(cè)功能防止位置控制器失步，并在電機(jī)阻轉(zhuǎn)時(shí)停止電機(jī)。在初始參考運(yùn)行時(shí)通過(guò)執(zhí)行精確的位置校準(zhǔn)，它還允許在接近機(jī)械終點(diǎn)止動(dòng)位時(shí)執(zhí)行半閉路運(yùn)行。因?yàn)椴恍枰�外部傳感器，并且阻轉(zhuǎn)檢測(cè)功能不需要額外的程序改變，因此可以快速、輕松并經(jīng)濟(jì)有效地執(zhí)行阻轉(zhuǎn)檢測(cè)。

　　取像和處理 ASSP

　　在 定位時(shí)，變焦和焦距控制是所有圖像傳感器基本操作中的重要部分，今天的視覺(jué)系統(tǒng)往往要求設(shè)計(jì)中的光學(xué)部分實(shí)現(xiàn)更高的性能和更快的上市時(shí)間，并且能與相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制部件輕松整合。典型例子包括汽車(chē)行業(yè)新興的“實(shí)時(shí)”智能攝像頭應(yīng)用，例如車(chē)內(nèi)駕駛員輔助功能，包括后視停車(chē)輔助、盲點(diǎn)檢測(cè)、障礙檢測(cè)和避障功能。這類(lèi)應(yīng)用需要在所有駕駛和光線(xiàn)條件下實(shí)時(shí)執(zhí)行準(zhǔn)確的邊緣和模式識(shí)別，因此需要高信噪比 (SNR) 的快速傳感器。隨著汽車(chē)行業(yè)向“線(xiàn)控駕駛”進(jìn)一步發(fā)展，這類(lèi)需要會(huì)日益迫切。

　　通常，這些應(yīng)用與惡劣的環(huán)境相關(guān)，并需要在很差的照明條件下（或甚至在紅外光譜中）工作。這些功能對(duì)于上文中略述的機(jī)動(dòng)車(chē)系統(tǒng)的重要性顯而易見(jiàn)，它在安全應(yīng)用、交通控制系統(tǒng)或要求更為苛刻的流程監(jiān)控以及焊接控制和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用中，也都占有同等重要的地位。

　　C MOS 圖像傳感器可幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，如圖3所示。這一高性能的 CMOS 設(shè)備為同時(shí)要求高工作溫度范圍(?40℃至105℃)和高動(dòng)態(tài)范圍(最高120dB)的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它集成了高速片內(nèi) ADC，器件通過(guò)一個(gè) RS232 接口可以實(shí)現(xiàn)分辨率750 x 400、刷新頻率為60f/s的顯示以及縮小的興趣點(diǎn)更高的刷新頻率。

　　為了消除在抓取快速移動(dòng)的場(chǎng)景時(shí)圖像失真的情況，有些圖像傳感器可能會(huì)使用全局快門(mén)技術(shù)。與使用“卷簾式快門(mén)”的CMOS傳感器不同，此傳感器的每一像素都在同一時(shí)刻感光，減少運(yùn)動(dòng)偽影的出現(xiàn)。其中的很多優(yōu)勢(shì)，以及器件不會(huì)出現(xiàn)延遲或拖尾情況而獲取高對(duì)比度圖像的能力，都是由于引入了 LinLog技術(shù)。它在低照明條件下采用線(xiàn)性響應(yīng)，在高亮度條件下則采用對(duì)數(shù)壓縮，克服了純對(duì)數(shù)圖像傳感器的缺點(diǎn)。

　　在一個(gè)典型的對(duì)數(shù)探測(cè)器中，對(duì)應(yīng)每一像素的光電流直接被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，與入射光線(xiàn)的亮度呈對(duì)數(shù)關(guān)系。實(shí)質(zhì)上，不存在“曝光時(shí)間”。其長(zhǎng)處是傳感器可以以完全隨機(jī)的時(shí)間間隔進(jìn)行讀取，缺點(diǎn)是其固有的順序?qū)ぶ废到y(tǒng)在對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行成像時(shí)，會(huì)構(gòu)成一個(gè)虛擬的“卷簾式快門(mén)”，此外，系統(tǒng)不能在脈沖照明的情況下使用，因?yàn)樵谶@種情況下脈沖沒(méi)有同步對(duì)象。

　　LinLog 由位于蘇黎世的 CSEM 開(kāi)發(fā)，它結(jié)合了全局快門(mén)，并對(duì)響應(yīng)曲線(xiàn)中照明強(qiáng)度的上半?yún)^(qū)間進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮。它可以對(duì)兩個(gè)響應(yīng)曲線(xiàn)間的轉(zhuǎn)換區(qū)域進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)整，保證過(guò)渡區(qū)域的單調(diào)性及光滑度，以杜絕偽影和不連貫情況的出現(xiàn)。總體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可以獲取極高對(duì)比度的圖像，在低照明水平下實(shí)現(xiàn)最大限度的靈敏度，同時(shí)減少固定模式偏移以及對(duì)數(shù)傳感器中有時(shí)出現(xiàn)的增益噪音的影響。這一功能對(duì)于需要在光線(xiàn)變化的條件下進(jìn)行操作的應(yīng)用極為重要；例如，需要在強(qiáng)光線(xiàn)照射傳感器時(shí)仍能對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別，比如大 燈照到后視系統(tǒng)，在交通控制或安全監(jiān)控照相應(yīng)用中面對(duì)落日的情況。

　　這一技術(shù)使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員在千差萬(wàn)別的照明條件下，大大節(jié)省了時(shí)間和資源。為了更輕松地實(shí)現(xiàn)整合，設(shè)備有幾種獲取模式可供使用。第一種為“自由運(yùn)行”，它在沒(méi)有外部 控 制信號(hào)的情況下取像。傳感器在設(shè)定的積分時(shí)間后進(jìn)行讀取，然后再重置：有多種控制標(biāo)志和信號(hào)用于系統(tǒng)同步，同時(shí)還提供握手信號(hào)(handshaking)幫助與 CameraLink 等接口規(guī)格保持一致。

　　此 外，傳感器可以由外部脈沖觸發(fā)，在預(yù)設(shè)的曝光時(shí)間和輸出數(shù)據(jù)后讀取圖像。同樣，多種控制標(biāo)志和狀態(tài)信號(hào)可以指示數(shù)據(jù)何時(shí)輸出并有效，然后，照相機(jī)等待下一次脈沖觸發(fā)。

　　器件也可在可編程模式下使用，提供更為靈活的攝像頭應(yīng)用方案：例如，設(shè)定對(duì)數(shù)響應(yīng)曲線(xiàn)以及線(xiàn)性和對(duì)數(shù)區(qū)域之間的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。在不需要高對(duì)比度的情況下，也可將傳感器設(shè)成純線(xiàn)性模式。在低照明高幀率的極端情況下，skim 模式采用與伽馬校正類(lèi)似的非線(xiàn)性放大，與更大的信號(hào)相比，它可以提高小信號(hào)輸出水平。LinLog 轉(zhuǎn)換點(diǎn)甚至可在傳感器積分時(shí)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生一組與連續(xù)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的曲線(xiàn)不同的響應(yīng)曲線(xiàn)。

　　總結(jié)

　　新一代傳感器和運(yùn)動(dòng)控制器件創(chuàng)造的便利條件，使視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在其設(shè)計(jì)中使用成熟可靠的解決方案、軟件和 IP，而不會(huì)失去他們需要的靈活性。更為智能化、可在更高層面進(jìn)行控制的攝像頭應(yīng)用成為大勢(shì)所趨，這使得系統(tǒng)集成商可以將更多精力放在產(chǎn)品的價(jià)值上，而不是在定位、對(duì)焦和照明等低層面細(xì)節(jié)上耗費(fèi)時(shí)間。隨著這一發(fā)展態(tài)勢(shì)的繼續(xù)，它們將促使視頻系統(tǒng)以更低的成本、更快的上市時(shí)間在更為復(fù)雜的應(yīng)用中得已實(shí)施。

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