智能摄像机技术的应用与发展趋势

在过去的几十年里,智能摄像机已经由简单设备发展到今天的复杂视觉系统（见第1章）。人们已经意识到了它的广泛应用。基于智能摄像机的产品遍布于各种不同的市场领域,包括消费类电子产品、视频监控（见第17章）、生物测量、传输和机器视觉（见第16～19章）。AIA在2008年做的市场调查揭示了在机器视觉市场中,智能摄像机是最快的增长部分也是不足为奇的。因此,智能摄像机被认为是整个机器视觉领域的技术驱动者。

本章展示了一种高性能智能摄像机（HPSC）,它已经应用于印刷检测领域中。印刷检测系统在基板上进行自动质量估计,如纸、金属箔和塑料箔。它们当中,存在一类可以确保达到最好的印刷质量的产品。例如钞票和邮票的印刷安全性。一个国家的钞票质量直接关系到假钞问题及货币的稳定问题。另一个例子是消费产品的包装,包装的感觉和产品的质量有很大的关系,尤其是一些知名的品牌。这两个例子都表明,一些企业有强烈的动机要求产品印刷质量完美,另外,还需要提高产量来降低单价。

如今,自动质量检测系统可以解决这个问题,然而,关于上文提到的应用,由于要求严格,考虑到检测准确度和经济的可行性,也就是分辨率、处理速度和吞吐量,这仍然是个很大的挑战。

典型的应用就是运用大量的摄像机（超过12个）来获取印刷品的图像。在超过100μm/像素的空间分辨率和达到20m/s的传输速度情况下,数据速率可以很容易地达到几Gbit/s。大致上说,1s之内,每个摄像机都可以传输存储在一个大容量磁盘里的超大量的数据。与普通的智能摄像机相比,实时充分地处理这么大数据的能力是HPSC的一个主要特点。

基于图像数据流,图像处理单元的任务是质量判断,极端地说,输入数据不得不减少到1bit：检测印刷质量是可以接受,还是被拒绝。

在大多数情况下,图像处理单元包括大量的连续处理过程。主要目标是抑制不相关的信息或提取相关信息。不需要的信息可以丢弃,以减少需要处理的输入数据。然而,在某些情况下,不得不在减少有效数据前增加信息。

为了处理采集到的大量图像数据,需要将图像处理任务转移到智能摄像机上,而不需要再将数据从智能摄像机传输到一个独立的更高级的处理设备上,从而减小了数据的带宽要求。智能摄像机原则上允许系列集成,集成度可以从低级图像处理到完整的监测系统,该系统只传输1bit来表示最终信息。

从本质上说,成像设备一方面需要许多部件（相机、光纤、灯光和机器构件）相互合作,另一方面需要一定的制造工艺。因此,为了达到最佳效果,质量检测系统一定要根据特定的应用来量身定制。所以,针对如何设计或如何比较高性能摄像机这一问题,制定一个的通用规则是困难的,甚至是不可能的。(www.xing528.com)

本章旨在展现一种集成在小型摄像机外壳中的强大视觉系统^[566],并提出了高性能智能摄像机未来的发展趋势。项目研究结果表明,可以利用大量互联的高性能智能摄像机来代替传统的检测系统（摄像机通过高带宽链路与远程图像处理单元相连接）。因此,当更多来自图像传感器的数据可以被处理的时候,检测准确度就可以提高了,同时,系统成本也就降下来了。

为了尽可能地降低研发风险,工程划分为四个阶段。首要目标是研究基于FP-GA和DSP技术的检测系统的可行性。在2006年出现了一个原型^[194]。第二阶段（2007年）,一个智能的高速度彩色线阵扫描摄像机被研发出来^[364,195,67]。第三阶段（2008年完成）,Camera Link TM^[434]接口由10Gbit/s的光纤以太网接口代替;外围的FPGA资源也被集成进去。最后一个阶段于2009年完成,为了适应摄像机外壳而缩小了DSP模块的原型。本章扩展了以前出版的文章,增加了最后两个阶段的最新进展。

7.2节将介绍关于自动印刷检测系统的许多重要方面。为了具体的应用,许多设计都有折中考虑,并总结了现代摄像机的技术。定义了高性能这个术语,它仅仅在具体的应用环境中才有具体意义。现代摄像机是一种线扫描设备,7.2节简要讨论了线扫描操作规则以及高速线扫描应用中CMOS传感器技术的优点。

7.3节讨论了在HPSC中运行的图像处理算法。介绍了多次曝光（Multiple Ex-posure TM,MX）方法,这种方法使得基于面扫描图像传感器来设计高速线扫描摄像机成为可能,是摄像机架构的关键要素。为了强调在HPSC中进行的复杂的图像处理（主要集中在FPGA高吞吐计算量上）,对用于印刷检测任务的图像检测方法做了完整地描述。

在7.4节关注的是HPSC的实现。并分为硬件和软件两部分讨论了图像处理功能。

最后,7.5节对高性能智能摄像机的发展做了展望。