領(lǐng)先的智能感知技術(shù)和方案應(yīng)對工業(yè)人工智能應(yīng)用挑戰(zhàn) 第一篇

工業(yè)機器視覺、機器人、人工智能技術(shù)的發(fā)展正配合著政府的智能制造計劃向前推進(jìn)，圖像傳感器是其中的關(guān)鍵技術(shù)，其在工業(yè)中的應(yīng)用很廣，包括智能交通、高端安防監(jiān)控、電影拍攝、醫(yī)療影像、生物識別、天文相機，以及常見的機器視覺在工業(yè)自動化生產(chǎn)的應(yīng)用，不同的應(yīng)用對圖像的分辨率、清晰度、噪聲、以及相機的幀率、系統(tǒng)成本等都有不同的要求，同時工業(yè)中人工智能應(yīng)用的發(fā)展給圖像傳感器帶來了更高的挑戰(zhàn)，包括推動了全局快門性能、高速拍攝、大分辨率、使用不可見光譜區(qū)域和三維體積深度提供的信息進(jìn)行關(guān)鍵推斷，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的發(fā)展。安森美半導(dǎo)體是工業(yè)機器視覺的領(lǐng)袖之一，具備全方位的產(chǎn)品陣容并不斷開發(fā)出領(lǐng)先的技術(shù)，解決上述挑戰(zhàn)并推動創(chuàng)新。

高效的工業(yè)生產(chǎn)需要機器視覺給出快速又精準(zhǔn)的決策

在生產(chǎn)線上用于測量的相機要能快速判斷液位、尺寸，用來定位的相機系統(tǒng)要能快速準(zhǔn)確的給出正確的物品位置，及時通知機械手臂在哪里尋找抓取物品，用作計件檢驗的相機系統(tǒng)要能夠快速計算出數(shù)量，是否溢出，用作解碼識別的相機系統(tǒng)要能夠快速準(zhǔn)確識別二維碼，字符信息等。相機系統(tǒng)做出快速精準(zhǔn)決策的關(guān)鍵就是圖像能夠清晰準(zhǔn)確的提供這些信息，不同的檢測應(yīng)用對圖像的分辨率、清晰度、噪聲、以及相機的幀率、系統(tǒng)成本等都有不同的要求。

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，檢測種類的多樣性，驅(qū)使圖像傳感器不斷的更新?lián)Q代，工藝一直在突破提升。這個發(fā)展從安森美半導(dǎo)體的幾代CMOS產(chǎn)品系列中可見一斑：

在2005年推出的LUPA系列

開始有了高速輸出接口

接下來2010年推出的VITA系列

在全局快門性能上有了很大了提升，支持卷簾快門和全局快門兩種模式，

在2014年推出的PYTHON系列

增加了像素內(nèi)圖像矯正，有效的優(yōu)化了全局快門傳感器的噪聲性能，

2019年剛推出的XGS系列

使用了減少節(jié)點的像素工藝對噪聲和圖像一致性更是有了飛躍般的提升，今后安森美半導(dǎo)體將會在工業(yè)級圖像傳感器使用背照式和堆棧式工藝來推動圖像傳感器的進(jìn)一步發(fā)展。

隨著工藝的提升，圖像傳感器的像元越來越小，但它卻可以達(dá)到大尺寸像元的圖像效果，這就使傳感器的分辨率可以越做越大，帶寬也越來越高，也推動了整體相機系統(tǒng)的提升和發(fā)展，來滿足工業(yè)生產(chǎn)快速精確的推斷和決策。

人工智能是新工具

快速精確的決策需求推動整個生態(tài)系統(tǒng)來實現(xiàn)高級數(shù)據(jù)收集和推斷，提供了真正進(jìn)入工業(yè)4.0的機會，人工智能(AI)正是需要的新工具，用來管理工業(yè)系統(tǒng)成像不斷增長的數(shù)據(jù)集。

AI可以通過自適應(yīng)制造、自動質(zhì)量控制、預(yù)測性維護(hù)等方案有效地應(yīng)對當(dāng)今制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，如工廠中的PCB板檢測、鈑金缺陷檢測、食品衛(wèi)生檢測、零部件均勻度檢測、平板檢測的應(yīng)用中，工廠操作員的疲勞會影響對產(chǎn)品質(zhì)量的一致性評估，但是機器視覺相機和深度學(xué)習(xí)解決了這個問題。如今，AI已用于60%以上的計算機視覺應(yīng)用中，而AI在制造應(yīng)用中的增長已超過50%年復(fù)合增長率。

工業(yè)中AI應(yīng)用的發(fā)展給圖像傳感器帶來了更高的挑戰(zhàn)，包括推動了全局快門性能、高速拍攝、高分辨率、使用不可見光譜區(qū)域和三維體積深度提供的信息進(jìn)行關(guān)鍵推斷，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的發(fā)展。

全局快門：實現(xiàn)高速視覺成像的關(guān)鍵

傳統(tǒng)的卷簾快門圖像傳感器可為靜態(tài)或慢速移動的物體成像提供出色的靈敏度。但全局快門在檢測快速移動物體的工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要。

如高速裝配線的機器視覺檢測之類的任務(wù)需要準(zhǔn)確的判斷，全局快門圖像傳感器通過完全同時同步曝光捕獲所有像素，來消除使用卷簾快門傳感器逐行曝光帶來的空間失真變形的效果，正確還原了運動物體的真實樣子，接下來才能進(jìn)行強大的AI分類計算。

如安森美半導(dǎo)體的全局快門圖像傳感器XGS 2000，以220 fps的速度捕獲高質(zhì)量、精確和快速移動的200萬像素全局快門圖像場景，可以為物流和工業(yè)掃描儀等不同場景下應(yīng)用提供清晰、低噪聲的圖像。

圖1：卷簾快門vs. 全局快門

高速也是快速移動物體檢測的工業(yè)應(yīng)用另一個至關(guān)重要點。高速裝配線的機器視覺檢查需要快速的幀率和較短的積分時間，可以使用短曝光和快速讀出消除圖像模糊的效果。工廠的視覺檢測基本都是對應(yīng)高速移動的物體，特別是工廠高速運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)線上，傳送帶的速度特別快，那么在最短的時間內(nèi)成像讀出數(shù)據(jù)，減少或消除拍攝圖像中的運動模糊，才能利用AI算法實現(xiàn)正確的智能判斷和快速決策。