機(jī)器視覺(jué)（Machine Vision）是實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)和高度柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，其主要功能可歸納為識(shí)別、測(cè)量、檢測(cè)以及定位與引導(dǎo)等四類(lèi)。嵌入式視覺(jué)（Embedded Vision）是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)微型化、低功耗化后的產(chǎn)物，也是機(jī)器視覺(jué)未來(lái)的重要發(fā)展方向之一。

從本質(zhì)上講，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)將圖像捕獲和圖像處理功能結(jié)合在一個(gè)設(shè)備中。而傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通常需要一個(gè)大型相機(jī)和鏡頭來(lái)捕獲圖像，以及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的接口和線(xiàn)纜，用于將原始圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)姜?dú)立的工業(yè)計(jì)算機(jī)。

工業(yè)領(lǐng)域正在使用的自帶處理器的智能相機(jī)，實(shí)際上就是一種高性能的“嵌入式視覺(jué)”設(shè)備被用于傳統(tǒng)的“機(jī)器視覺(jué)”任務(wù)。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，嵌入式視覺(jué)實(shí)現(xiàn)了所謂的“物的視覺(jué)（VoT）”，為工業(yè)制造賦予了更智能的自動(dòng)化、更高的安全性和跨行業(yè)的新能力。

01嵌入式視覺(jué)的演進(jìn)

嵌入式視覺(jué)技術(shù)自誕生以來(lái)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。起初，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)受限于早期嵌入式處理器的計(jì)算能力，這些系統(tǒng)只能執(zhí)行基本的圖像處理任務(wù)。然而，在復(fù)雜分析和實(shí)時(shí)處理方面，它們卻顯得力不從心。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在更強(qiáng)大、更節(jié)能的處理器的開(kāi)發(fā)上。這一飛躍使得系統(tǒng)可以直接在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，反過(guò)來(lái)又消除了對(duì)外部計(jì)算資源的需求和對(duì)云的依賴(lài)；傳感器技術(shù)的進(jìn)步對(duì)嵌入式視覺(jué)技術(shù)的演進(jìn)同樣發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

高分辨率和多光譜傳感器提供了更詳細(xì)和多樣化的數(shù)據(jù)，使得嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)能夠執(zhí)行以前無(wú)法完成的任務(wù)。例如，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)可以通過(guò)分析包括近紅外區(qū)域在內(nèi)的不同光譜波段的圖像來(lái)評(píng)估作物的健康狀況。

機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能（AI）的融合進(jìn)一步推動(dòng)了嵌入式視覺(jué)的發(fā)展。這些技術(shù)使系統(tǒng)能夠從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，從而隨著時(shí)間的推移提高其準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。從質(zhì)量控制到自主導(dǎo)航的各種工業(yè)應(yīng)用中，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)決策的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)正在成為這些領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)。

在工業(yè)領(lǐng)域，嵌入式視覺(jué)技術(shù)的創(chuàng)新正在催生新的應(yīng)用，并優(yōu)化現(xiàn)有的流程。反過(guò)來(lái)，人工智能、傳感器等新技術(shù)的發(fā)展也在深刻地影響著嵌入式視覺(jué)的創(chuàng)新。其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

人工智能與嵌入式攝像頭的集成

人工智能在很大程度上正在革新嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)。借助人工智能，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)能夠執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，如智能產(chǎn)品分類(lèi)、質(zhì)量控制和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

RGB-IR相機(jī)的崛起

RGB-IR攝像頭在工業(yè)環(huán)境中越來(lái)越受歡迎，特別是在倉(cāng)庫(kù)和工廠的監(jiān)控中。這些攝像頭能同時(shí)捕捉可見(jiàn)光（RGB）和紅外（IR）光，所有功能都集成在一個(gè)攝像頭模塊中，無(wú)需額外的紅外截止濾光片。

相機(jī)的微型化與大型化

在嵌入式視覺(jué)領(lǐng)域，同時(shí)存在著小型化趨勢(shì)和采用更大傳感器攝像頭的需求。相機(jī)技術(shù)的進(jìn)步正推動(dòng)著更小、功能更強(qiáng)大的相機(jī)的發(fā)展，這些相機(jī)可以集成到緊湊且狹小的空間中。

例如，迷你無(wú)人機(jī)、工業(yè)平板電腦等。同時(shí)，許多工業(yè)應(yīng)用諸如智能監(jiān)控、機(jī)械臂和質(zhì)量檢測(cè)等需要更大的傳感器攝像頭，以獲得更高的靈敏度和更廣的覆蓋范圍。通常，傳感器尺寸大于1/2.2英寸的攝像頭被視為“大”攝像頭。這種雙重趨勢(shì)要求嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)必須在緊湊設(shè)計(jì)與增強(qiáng)成像能力之間取得平衡。

根據(jù)Growth Market Report的最新研究報(bào)告，2024年全球嵌入式視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到132億美元，在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和邊緣計(jì)算技術(shù)的推動(dòng)下呈現(xiàn)出強(qiáng)勁增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。預(yù)計(jì)從2025年到2033年，該市場(chǎng)將保持13.8%的顯著復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR），到2033年市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到406億美元。

推動(dòng)嵌入式視覺(jué)市場(chǎng)發(fā)展的主要增長(zhǎng)因素之一是人工智能和深度學(xué)習(xí)算法的快速演進(jìn)和部署。人工智能與嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的融合實(shí)現(xiàn)了邊緣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析，顯著降低了延遲并增強(qiáng)了決策能力。

在汽車(chē)行業(yè)，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動(dòng)駕駛汽車(chē)嚴(yán)重依賴(lài)嵌入式視覺(jué)進(jìn)行物體檢測(cè)、車(chē)道偏離警告和行人識(shí)別。在工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)中的日益普及是嵌入式視覺(jué)市場(chǎng)增長(zhǎng)的另一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力。制造業(yè)正在利用嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制、缺陷檢測(cè)和流程優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)率并降低運(yùn)營(yíng)成本。

工業(yè)4.0的興起以及向智能工廠的轉(zhuǎn)變，加速了視覺(jué)機(jī)器人和自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的部署。這些系統(tǒng)有助于精確監(jiān)控和控制生產(chǎn)線(xiàn)，確保制造流程具有更高的準(zhǔn)確性和一致性。此外，嵌入式視覺(jué)解決方案在物流和倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，自動(dòng)化分揀、庫(kù)存管理和包裹追蹤等應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大了其在工業(yè)領(lǐng)域的使用范圍。

02智能相機(jī)驅(qū)動(dòng)嵌入式視覺(jué)發(fā)展的關(guān)鍵硬件

智能相機(jī)是具備板載處理能力的獨(dú)立視覺(jué)系統(tǒng)，完成了從“看清”到“看懂”這一過(guò)程的轉(zhuǎn)變。它們將圖像傳感器、處理器和軟件整合到一個(gè)緊湊的單元中，能夠就地捕捉圖像并立即進(jìn)行分析，例如檢測(cè)缺陷或讀取代碼。在生產(chǎn)線(xiàn)、物流甚至消費(fèi)設(shè)備中，視覺(jué)系統(tǒng)的部署將變得更加簡(jiǎn)單、可靠。

根據(jù)行業(yè)報(bào)告，工業(yè)自動(dòng)化對(duì)智能相機(jī)的需求正在飆升，隨著性能的提高，它們?cè)谏a(chǎn)線(xiàn)上的作用將會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)。Strategic Revenue Insights預(yù)計(jì)，到2033年，全球嵌入式視覺(jué)攝像頭市場(chǎng)的估值將達(dá)到153億美元，從2025年至2033年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為9.8%。這些相機(jī)中的高性能圖像傳感器（全局快門(mén)、高分辨率）和照明設(shè)備能確?？焖僖苿?dòng)部件信息的準(zhǔn)確性。

DFRobot DFR0833 OpenMV Cam H7 Plus是一款小型低功耗智能相機(jī)模塊，采用高級(jí)Python腳本編程，這使得處理機(jī)器視覺(jué)算法的復(fù)雜輸出以及使用高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變得更加容易。該模塊內(nèi)置了基于ARM Cortex-M7的STM32H743II處理器，標(biāo)配OV7725 或MT9V034全局快門(mén)圖像傳感器，且支持更換鏡頭。STM32H743集成了工作頻率高達(dá)480MHz、具有雙精度浮點(diǎn)單元的Arm Cortex-M7內(nèi)核，從Flash執(zhí)行程序時(shí)，能夠提供2424 CoreMark /1027 DMIPS的性能，利用其L1緩存實(shí)現(xiàn)了0等待執(zhí)行。

onsemi的MT9V034是一款1/3英寸寬VGA的CMOS有源像素?cái)?shù)字圖像傳感器，具備全局快門(mén)和高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）功能，非常適合各種真實(shí)環(huán)境中的成像應(yīng)用。在保持CMOS固有的尺寸、成本和集成優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，MT9V034實(shí)現(xiàn)了媲美CCD的圖像質(zhì)量。

強(qiáng)大的組合使得DFRobot DFR0833 OpenMV Cam H7 Plus能夠用于線(xiàn)條檢測(cè)、圓形檢測(cè)、矩形檢測(cè)、模板匹配、圖像捕捉、視頻錄制、顏色跟蹤、標(biāo)記跟蹤、人臉檢測(cè)、眼動(dòng)追蹤和人物檢測(cè)等。對(duì)于需要將視覺(jué)功能集成到一個(gè)電池供電、體積極小、成本敏感設(shè)備中的這一類(lèi)需求，OpenMV是非常好的選擇，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中簡(jiǎn)單邏輯的流水線(xiàn)次品分揀以及二維碼/條碼掃描都可以直接使用它。

圖：DFRobot DFR0833 OpenMV Cam H7 Plus智能相機(jī)模塊（圖源：Mouser）

03邊緣AI芯片

AI重構(gòu)嵌入式視覺(jué)的核心

正如上文所述，AI與嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的融合是嵌入式視覺(jué)市場(chǎng)快速發(fā)展的重要推手。邊緣AI對(duì)該領(lǐng)域的最大改變?cè)谟趯⒐I(yè)自動(dòng)化中比較刻板的“規(guī)則檢測(cè)”轉(zhuǎn)向“語(yǔ)義理解”。此時(shí)，視覺(jué)語(yǔ)言模型（VLM）將下沉到邊緣，系統(tǒng)不再只是識(shí)別“是否有劃痕”，而是可以理解自然語(yǔ)言指令。例如，質(zhì)檢員通過(guò)語(yǔ)音說(shuō)“幫我留意表面色澤不均且邊角有毛刺的產(chǎn)品”，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)調(diào)整推理邏輯。

此外，攝像頭不再輸出視頻流，而是直接輸出結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如物體坐標(biāo)、缺陷類(lèi)型、零件計(jì)數(shù)等，這些改變極大地減輕了工廠網(wǎng)絡(luò)的帶寬壓力。在移動(dòng)協(xié)作機(jī)器人 (Cobots)中，嵌入式視覺(jué)可安裝在機(jī)械手末端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障和亞毫米級(jí)的精密抓取。在預(yù)測(cè)性維護(hù)中，微型視覺(jué)模組可嵌入到軸承內(nèi)部，通過(guò)監(jiān)測(cè)微細(xì)磨損顆粒的形狀變化，在故障發(fā)生前即可發(fā)出預(yù)警。

隨著基于深度學(xué)習(xí)的AI 和具有AI 功能的嵌入式處理器即邊緣 AI 處理器的進(jìn)步，我們可以在更低的功耗下以更高的準(zhǔn)確性對(duì)龐大而復(fù)雜的視覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，現(xiàn)在的嵌入式相機(jī)可以“開(kāi)箱即用”地運(yùn)行深度學(xué)習(xí)模型，這也是嵌入式視覺(jué)能夠大規(guī)模落地的重要原因。因此，在嵌入式視覺(jué)應(yīng)用中，選擇芯片不再只看主頻，而是更關(guān)注AI算力（TOPS）、能效比、ISP（圖像信號(hào)處理）能力以及工業(yè)級(jí)可靠性。

NVIDIA Jetson Orin作為高端模塊為邊緣的高級(jí)機(jī)器人技術(shù)和視覺(jué)技術(shù)提供超過(guò)100 TOPS的計(jì)算能力，是“算力派”的杰出代表。Texas Instruments的AM6xA系列則是典型的“工業(yè)派”。該公司的芯片設(shè)計(jì)邏輯是“夠用且極度穩(wěn)定”，并且根據(jù)實(shí)際需求有多個(gè)細(xì)分產(chǎn)品。AM62A (2 TOPS)的定位是入門(mén)級(jí)AI視覺(jué)，支持1-2個(gè)攝像頭，優(yōu)勢(shì)是功耗極低，約2-3W，工作中無(wú)需風(fēng)扇，可用于智能掃碼槍、簡(jiǎn)單的零件計(jì)數(shù)、工業(yè)讀碼器等對(duì)算力需求不高，但對(duì)功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用。

AM68A (8 TOPS)的定位是中端AI視覺(jué)，支持多達(dá)8路攝像頭輸入，優(yōu)勢(shì)是擁有強(qiáng)大的硬核ISP，內(nèi)置鏡頭畸變校正（LDC）和多尺度縮放（MSC），能顯著降低CPU負(fù)擔(dān)，可用于協(xié)作機(jī)器人末端視覺(jué)、常規(guī)缺陷檢測(cè)等。

AM69A (32 TOPS)是AM6xA系列中的一款高端邊緣AI 器件，支持12路攝像頭，并提供多種方法來(lái)通過(guò)異構(gòu)處理內(nèi)核和集成硬件加速器優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)邊緣性能，在算力與能效方面找到了完美的平衡點(diǎn)，工業(yè)接口豐富，有PCIe Gen3和多路千兆網(wǎng)口，非常適用于多相機(jī)同步檢測(cè)線(xiàn)、復(fù)雜的移動(dòng)機(jī)器人（AMR）中的嵌入式視覺(jué)應(yīng)用需求。

圖：AM69A上的機(jī)器視覺(jué)數(shù)據(jù)流方框圖（圖源：TI）

04本文小結(jié)

嵌入式視覺(jué)是指將圖像采集（攝像頭）與圖像處理（算力）集成在同一個(gè)小型化設(shè)備或系統(tǒng)中的技術(shù)。如今的嵌入式視覺(jué)已不再僅僅是機(jī)器視覺(jué)的一個(gè)分支，它已經(jīng)演變成“物理AI（Physical AI）”的神經(jīng)末梢。

從工廠車(chē)間上的智能相機(jī)到自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的AI芯片，嵌入式視覺(jué)技術(shù)正在以深刻的方式改變著多個(gè)行業(yè)的運(yùn)行規(guī)則，它們?yōu)闄C(jī)器帶來(lái)了視覺(jué)和視覺(jué)理解的能力。嵌入式視覺(jué)技術(shù)正通過(guò)自動(dòng)化一系列廣泛的任務(wù)，從檢測(cè)、導(dǎo)航到物料搬運(yùn)等，為工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。

由嵌入式視覺(jué)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化檢測(cè)攝像系統(tǒng)能夠快速識(shí)別生產(chǎn)線(xiàn)上的產(chǎn)品缺陷，確保無(wú)需人工干預(yù)即可達(dá)到更高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。同樣，配備視覺(jué)系統(tǒng)的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）能夠高效地在復(fù)雜的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境中導(dǎo)航，優(yōu)化了物流成本。