工業(yè)成像應(yīng)用如何賦能快速、準(zhǔn)確的決策

有一些常見的工業(yè)應(yīng)用需求，如測(cè)量物體的尺寸或確定液體的液位，定位或引導(dǎo)時(shí)為機(jī)器人提供“眼睛”以確定在哪里抓取物體，計(jì)數(shù)或檢驗(yàn)時(shí)進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)或判斷包裝是否完整，解碼或識(shí)別時(shí)要能讀取條形碼或進(jìn)行光學(xué)字符識(shí)別，等等。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)應(yīng)用需求考慮和優(yōu)化不同的成像參數(shù)：分辨率直接與圖像傳感器上可用的像素?cái)?shù)量有關(guān)，區(qū)分場(chǎng)景中的單個(gè)被測(cè)物特征。高圖像質(zhì)量對(duì)于消除錯(cuò)誤或不準(zhǔn)確的結(jié)果至關(guān)重要。高幀率有利于捕捉高速運(yùn)動(dòng)的物體和軌跡，并能及時(shí)解決問題。

此外，整個(gè)系統(tǒng)的成本是將所有這些參數(shù)結(jié)合在一起的關(guān)鍵因素，也須加以考慮。 如果僅通過(guò)增加像素來(lái)提高分辨率，就會(huì)產(chǎn)生更大的圖像傳感器，成本更高，但也需要更昂貴的鏡頭。如果通過(guò)減少像素大小來(lái)提高分辨率，傳感器和鏡頭成本的增加可能會(huì)減少，但這也可能會(huì)影響圖像質(zhì)量。如果分辨率和幀速率高于給定應(yīng)用所需要的，那么應(yīng)用的數(shù)據(jù)帶寬需求(和基礎(chǔ)設(shè)施成本)就會(huì)高于其他情況。

因此，關(guān)鍵是以智能方式提高整體成像性能，以繼續(xù)滿足這些應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求。

成像技術(shù)：高速率，短曝光

工廠的視覺檢測(cè)基本都是對(duì)應(yīng)高速移動(dòng)的物體，傳送帶的速度特別快，那么采用高幀率、短曝光控制以防止運(yùn)動(dòng)模糊，才能利用AI算法實(shí)現(xiàn)正確的智能判斷和快速?zèng)Q策。

成像技術(shù)：全局快門

因?yàn)榫砗熆扉T內(nèi)部沒有可以存儲(chǔ)電荷的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，每一行曝光結(jié)束需要把這一行的數(shù)據(jù)盡快讀出再開始下一行的曝光，那么當(dāng)物體在快速運(yùn)動(dòng)，圖像整幀自上而下不同的時(shí)間曝光方式就會(huì)使圖像產(chǎn)生空間上的失真變形，而全局快門整幀完全同一時(shí)間曝光，捕獲的所有像素正確還原了運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)樣子，就不會(huì)產(chǎn)生扭曲。

全局快門圖像傳感器捕獲圖像并以逐像素的方式將捕獲到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上。在非常明亮的光線條件下，保護(hù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)免受環(huán)境光線破壞數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的，同時(shí)數(shù)據(jù)還要保存在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上。衡量該節(jié)點(diǎn)的保護(hù)情況的一種方法稱為全局快門效率(GSE)。較差的GSE會(huì)導(dǎo)致圖像中的重影效應(yīng)。這種重影效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)器視覺算法的性能問題。安森美半導(dǎo)體的全局快門圖像傳感器提供業(yè)界最佳的GSE。

成像技術(shù)：分辨率

平板檢測(cè)是整個(gè)工業(yè)機(jī)器視覺行業(yè)中，對(duì)圖像傳感器最有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。它從1 K、2 K、4 K一直到8 K，像素在逐漸擴(kuò)大。檢測(cè)大致分兩種：一種是暗檢測(cè)，上電前主要檢測(cè)一些指紋、劃痕和其他物理上的問題;另外就是上電以后，特別是在OLED，加上最新的AMOLED(Active Matrix OLED)。LCD是有一個(gè)亮板在后面作為發(fā)光源，而OLED，特別是AMOLED，它的每個(gè)像素都是一個(gè)單獨(dú)發(fā)光源。像素和像素之間發(fā)光的強(qiáng)度和色彩的均勻度都要能夠很準(zhǔn)確地偵測(cè)出來(lái)，這就對(duì)圖像傳感器的要求非常高。過(guò)去檢測(cè)LCD面板上的1顆像素，對(duì)應(yīng)需要9個(gè)像素(3×3)，OLED則對(duì)應(yīng)可能需要16個(gè)像素(4×4)，甚至25個(gè)(5×5)像素。所以對(duì)圖像傳感器的分辨率要求越來(lái)越高，并要求檢查相機(jī)提供非常高的圖像質(zhì)量和高均勻性——以確保相機(jī)中的質(zhì)量問題不會(huì)被誤解為顯示中的產(chǎn)品缺陷。

對(duì)印刷電路板的檢查也通常需要高分辨率的圖像傳感器，以確認(rèn)電路板組件(集成電路、電容、電阻等)已經(jīng)正確地放置并焊接到位。檢查電路板的速度是分辨率和幀率的結(jié)合——圖像捕獲的尺寸越大，一次可以檢查的電路板越多;圖像捕獲的速度越快，檢測(cè)的效率就越高。

使用安森美半導(dǎo)體的XGS 45000可捕獲一個(gè)更大的圖像：(超過(guò)8000像素寬)幾乎每秒1900像素的數(shù)據(jù)率、效率超過(guò)之前使用方案的3倍。這種高分辨率和高速的結(jié)合使這種類型的檢測(cè)應(yīng)用能夠更快、更有效地執(zhí)行，提高制造過(guò)程中的生產(chǎn)率。

又如廣播/監(jiān)控應(yīng)用，結(jié)合了許多不同性能向量，需要高分辨率、高帶寬和高圖像質(zhì)量，且對(duì)分辨率的需求在持續(xù)增長(zhǎng)，從高清到4 k，再到8 k。安森美半導(dǎo)體的XGS 45000，實(shí)際有比8 K 更高的分辨率，可以以60 fps的速度提供12 bit的數(shù)據(jù)輸出，清晰拍攝輕微的動(dòng)作。值得一提的是，東京奧林匹克的會(huì)場(chǎng)將會(huì)用到采用XGS 45000的相機(jī)。

成像技術(shù)：圖像比例

并不是所有的應(yīng)用都需要高分辨率，一些機(jī)器視覺應(yīng)用也有特定的分辨率需求。與傳統(tǒng)的由顯示標(biāo)準(zhǔn)(16:9或4:3)驅(qū)動(dòng)的RGB觀看應(yīng)用程序不同，許多機(jī)器人和機(jī)器視覺方案可通過(guò)使用不同的分辨率進(jìn)行優(yōu)化。如安森美半導(dǎo)體的200萬(wàn)像素AR0234在X方向給出了更優(yōu)的條形碼方案的額外像素。在XGS系列圖像傳感器中，800萬(wàn)像素、900萬(wàn)像素、1200萬(wàn)像素分別提供了2：1、1：1、4：3的圖像比例，XGS的3000萬(wàn)像素、32000萬(wàn)像素分別提供了1：1和4：3的圖像比例，1：1可用在半導(dǎo)體檢測(cè)，而4：3可用在屏檢。

成像新需求：立體視覺

近兩年來(lái)很多應(yīng)用增加了對(duì)深度信息的需求，以前2D的成像信息開始往3D立體視覺推進(jìn)，雙目相機(jī)、結(jié)合結(jié)構(gòu)光的相機(jī)是目前比較常見的3D應(yīng)用方案。安森美半導(dǎo)體的PYTHON系列圖像傳感器產(chǎn)品常會(huì)用在這些方案里。另外還有采用飛行時(shí)間(TOF)、Super Depth pixel 和 雷達(dá)的3D方案。安森美半導(dǎo)體的直接飛行時(shí)間(DTOF)激光雷達(dá)產(chǎn)品有單點(diǎn)的硅光電倍增管(SIPM)，在醫(yī)療、工業(yè)、汽車都有應(yīng)用，還有1×12或1×16的陣列，下一代的激光雷達(dá)都會(huì)用到這樣的產(chǎn)品。最新開發(fā)出來(lái)的400×100 單光子雪崩二極管(SPAD)面陣，已經(jīng)不只是點(diǎn)云了，已經(jīng)和圖像傳感器差不多了，可以實(shí)現(xiàn)有深度信息的圖像。

下面介紹幾款安森美半導(dǎo)體的成像方案：

工業(yè)級(jí)全局快門方案：XGS系列

XGS是安森美半導(dǎo)體最新一代的工業(yè)級(jí)全局快門圖像傳感器，用了最新的3.2 um 像素工藝，圖像質(zhì)量好，噪聲小，一致性好，高幀率，低功耗，寬工作溫度，并且極具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，可以用在多種工業(yè)應(yīng)用上。它是一個(gè)系列化的家族產(chǎn)品X-CLASS平臺(tái)，從200萬(wàn)像素到4500萬(wàn)像素，用兩套硬件電路板就可以兼容總共11個(gè)分辨率，其中200萬(wàn)像素-1600萬(wàn)像素可以輕松放進(jìn)29 mm*29 mm的相機(jī)平臺(tái)，2000萬(wàn)像素-4500萬(wàn)像素 做到引腳兼容(pin to pin)，客戶設(shè)計(jì)一個(gè)硬件平臺(tái)可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇相應(yīng)的分辨率傳感器。攝像機(jī)制造商可充分利用現(xiàn)有的零件庫(kù)存并加快新攝像機(jī)設(shè)計(jì)的面市時(shí)間。這一代產(chǎn)品將會(huì)顛覆目前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局，為用戶提供了非常有吸引力的選擇。特別地，XGS 45000用于分辨率要求高的、需要高速數(shù)據(jù)捕獲和傳輸?shù)臋C(jī)器視覺和工業(yè)成像應(yīng)用，XGS 12000則是具性價(jià)比的選擇，能以90 fps捕獲清晰、高分辨率圖像。

圖1：XGS 45000

經(jīng)濟(jì)型全局快門方案：AR0234

AR0234的200萬(wàn)像素分辨率、120幀速率及光學(xué)尺寸適用于大部分傳統(tǒng)的工業(yè)檢測(cè)、自主移動(dòng)機(jī)器人、工業(yè)掃碼、雙目深度測(cè)量等。安森美半導(dǎo)體還使用AR0234搭配系統(tǒng)單芯片(SOC) 圖像信號(hào)處理器AP1302做了相應(yīng)的方案，幫助客戶加快開發(fā)。

圖2：AR0234

人臉識(shí)別付款應(yīng)用: AR0230 HDR

無(wú)接觸的通過(guò)飛機(jī)場(chǎng)、火車站、高鐵站等閘口的場(chǎng)景將越來(lái)越普遍。AR0230是業(yè)界唯一一個(gè)200萬(wàn)像素、芯片內(nèi)帶寬動(dòng)態(tài)合成功能的圖像傳感器。寬動(dòng)態(tài)對(duì)無(wú)接觸系統(tǒng)非常重要。而AR0230能提供很好的圖像質(zhì)量，支持從黑暗的夜晚到明亮的陽(yáng)光等各種照明條件，進(jìn)而提高人工智能的判斷精度。

背照式卷簾快門：AR0521

AR0521能以60 fps 捕獲 500萬(wàn)像素圖像，且安森美半導(dǎo)體還提供近紅外增強(qiáng)的版本。500萬(wàn)像素的分辨率適用于安防、工業(yè)、監(jiān)控以及邊緣AI等各種應(yīng)用。如安森美半導(dǎo)體在Vision China 2021展出的使用AR0521的熱能儀參考設(shè)計(jì)，用于非接觸式甄別攝像頭前經(jīng)過(guò)的人是否發(fā)熱，是否戴口罩，有助于排查疫情病例，減少病毒傳播。

簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的平臺(tái)：DevSuite

為易于客戶評(píng)估，安森美半導(dǎo)體提供一個(gè)基于PC的評(píng)估系統(tǒng)DevSuite。設(shè)計(jì)人員可將DevWare軟件加載到個(gè)人電腦上，通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB接口連接到所選用的傳感器硬件上。通過(guò)這一平臺(tái)，只需要更換傳感器主板的硬件來(lái)評(píng)估傳感器的性能。

圖3：DevSuite

圖像傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用案例

1. XGS系列用于智能交通系統(tǒng)、機(jī)器視覺和工業(yè)

JAI A/S是工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)相機(jī)方案的領(lǐng)先供應(yīng)商之一，已將XGS 45000集成到其新的4500萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)中。SP-45000M-CXP4提供4470萬(wàn)像素黑白分辨率，每秒52幀，領(lǐng)先市場(chǎng)，并支持全8 K分辨率，每秒超過(guò)60幀。

全球領(lǐng)先的工業(yè)和零售應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備和交通系統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)制造商巴斯勒(Basler)也把XGS傳感器集成到他們基于CoaXPress 2.0機(jī)器視覺標(biāo)準(zhǔn)的boost平臺(tái)中，稱XGS系列特別適合于新設(shè)計(jì)以及現(xiàn)有高分辨率視覺系統(tǒng)中從CCD到CMOS的過(guò)渡。

數(shù)字成像技術(shù)的全球領(lǐng)袖之一Teledyne Imaging也看重XGS傳感器技術(shù)的性能、更高的分辨率和質(zhì)量，在其GenieTM Nano-5G M/C8100區(qū)域掃描相機(jī)中采用了XGS 45000、XGS 30000和XGS 20000。

2. 毅力號(hào)漫游車在火星著陸

毅力號(hào)是首個(gè)在降落過(guò)程中主動(dòng)完成導(dǎo)航的任務(wù)，這是火星任務(wù)技術(shù)的一項(xiàng)巨大進(jìn)步，由基于圖像傳感器的攝像機(jī)賦能。毅力號(hào)共有23只攝像機(jī)，有6只采用了安森美半導(dǎo)體的圖像傳感器，包括130萬(wàn)像素、1/2 英寸 CMOS圖像傳感器Python 1300和500萬(wàn)像素、1英寸圖像傳感器Python 5000。

總結(jié)

未來(lái)的圖像傳感器依然會(huì)追求高分辨率，高畫質(zhì)，高性價(jià)比。作為機(jī)器視覺的領(lǐng)袖，安森美半導(dǎo)體將不斷推陳出新，以3D成像、高光譜和多光譜成像為未來(lái)的方向，賦能機(jī)器超越人眼的視覺。