高性能標(biāo)準(zhǔn)CMOS傳感器應(yīng)用于3D視覺、感測和度量

簡述

3D成像技術(shù)早在數(shù)十年前已經(jīng)出現(xiàn)，但是民用化產(chǎn)品卻只在2000年代才推出市場，那時主流電影企業(yè)發(fā)布利用高清攝影機拍攝的3D電影。從那時開始，這一應(yīng)用范圍里，不論在速度、精度和3D圖像分辨率都有飛躍進(jìn)展，并且獲得從消費性市場到機器視覺工業(yè)的廣泛應(yīng)用。

隨著工業(yè)4.0變革來臨，面對諸如復(fù)雜的物件辨識和尺寸量度任務(wù)，以至人機互動所需要的復(fù)雜互動，2D視覺在精度和距離測量方面均出現(xiàn)技術(shù)限制，市場對3D視覺的需求因而與日俱增。

3D視覺能提高機器人/機器系統(tǒng)在工業(yè)自動化應(yīng)用的自主性和效率，提供2D視覺不能比擬的高精度質(zhì)量檢測，反向工程和物件度量等關(guān)鍵能力。另一方面，視覺系統(tǒng)導(dǎo)向機器人的應(yīng)用正在增長中，這一技術(shù)需要3D視覺來實現(xiàn)更好的遙距導(dǎo)向、障礙物辨識和精確移動。

3D視覺也能保護(hù)需要大量人機互動的工廠工人，在系統(tǒng)級預(yù)防和排除危險狀況，并通過監(jiān)控系統(tǒng)，點算工場工人數(shù)目并把工人和機器人或物件分辨出來。

3D視覺的能力能夠?qū)崿F(xiàn)更安全、性能更好和更高效的終端用戶輔助系統(tǒng)，正在對社會帶來影響力。舉個例子，3D視覺已成為無人駕駛車輛的先進(jìn)自動駕駛者輔助系統(tǒng)和人機合作機器人等應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

2D視覺在條形碼掃描或光學(xué)字體辨識等應(yīng)用的功用是無可置疑的。它在工廠或倉庫應(yīng)用有不可或缺的角色，而隨著區(qū)塊煉技術(shù)的引進(jìn)和電商市場發(fā)展，它在物流中心和運輸應(yīng)用有顯著的增長。Teledyne e2v 擁有專為條形碼掃描而設(shè)計的2D 成像產(chǎn)品，例如是集合高性能和能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性高速掃描的Snappy 傳感器系列。

3D圖像的生成有好幾種技術(shù)和科技。主流技術(shù)計有：

· 立體視覺： 使用兩部相機從不同角度對準(zhǔn)主體，并使用校準(zhǔn)技術(shù)把相機和具體深度信息之間的像素信息對齊。這類似于人類腦部目測距離的工作。

· 結(jié)構(gòu)化光線： 把一個已知的光線圖案投射到主體上，然后根據(jù)圖案在主體上的扭曲狀況，計算深度信息。

· 激光三角測量：激光三角測量通過將一部相機和一個激光光源配對，實現(xiàn)三維測量。系統(tǒng)根據(jù)激光光源和相機之間已知的角度偏距，以三角幾何理論量度出激光線的幾何抵銷(數(shù)值與主體的高度成比例)。這是一項基于掃描主體的技術(shù)。

· 飛行時間：一個光源與一個圖像傳感器同步，根據(jù)發(fā)出脈沖光線和光線反射回饋到傳感器的時間計算出距離。

每一種技術(shù)都有它的優(yōu)缺點，所以技術(shù)的適用程度取決于應(yīng)用類型(其中距離范圍和深度精度要求是重點)。表一列出了相對不同條件的技術(shù)比較。

表 1 3D 成像技術(shù)“頂層”比較

雖然3D系統(tǒng)仍然占工業(yè)自動化和倉庫應(yīng)用視覺系統(tǒng)的一小部分，現(xiàn)在越來越多基于3D立體視覺、結(jié)構(gòu)光線或激光技術(shù)的3D系統(tǒng)正在引進(jìn)中。這些系統(tǒng)有固定的工作距離，需要大量校準(zhǔn)工作以實現(xiàn)特定的偵測范圍。而飛行距離系統(tǒng)則能解決這些挑戰(zhàn)，并從應(yīng)用角度提供更高靈活性，不過圖像分辨率仍然是大部分這類技術(shù)面對的制肘。

Teledyne e2v在機器視覺擁有長遠(yuǎn)的成功歷史，例如是線陣相機和影像傳感器，而近期則積極打造用于3D成像的專用平臺。這一平臺將支持最新的工業(yè)應(yīng)用，包括視覺導(dǎo)引機器人、物流應(yīng)用自動化無人車輛、工廠監(jiān)控和安全、手持式掃描儀以及戶外應(yīng)用。Teledyne e2v致力長期提供基于多種3D技術(shù)的產(chǎn)品，以滿足客戶應(yīng)用的需求。

3D 視覺實現(xiàn)高速準(zhǔn)確檢測提高產(chǎn)能，表現(xiàn)超越2D

工廠已進(jìn)入自動化工作，以提高產(chǎn)能和在產(chǎn)品查驗和庫存的方方面面節(jié)省時間和金錢。要優(yōu)化這些因素，擁有視覺系統(tǒng)的機器需要更高速和以更佳性能工作。

因應(yīng)這些發(fā)展，2D視覺遇上了限制，使得3D視覺被廣泛引進(jìn)，以實施更高精度的質(zhì)量檢驗，反向工程或物件量度任務(wù)。三角測量技術(shù)正在這些應(yīng)用中獲大量使用，鑒于三軸圖像要求高分辨率，需要非常高速的的傳感器。

圖 1 激光三角測量應(yīng)用范例

自十多年前起， Teledyne e2v已經(jīng)和3D三角測量的市場領(lǐng)導(dǎo)者一同工作，以開發(fā)訂制化傳感器。去年Teledyne e2v 發(fā)布了能配合高速尺寸測量和查檢技術(shù)挑戰(zhàn)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，以滿足高速生產(chǎn)線的要求。

這一快閃 CMOS傳感器系列很好地組合了一個 4,096 x 1,024像素分辨率和一個2,048 x 1,024 像素傳感器，二者的幀率分別為1800 fps 和 1500 fps (8 位) ，兼容標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)格式(APS兼容和 C-Mount)，讀出速度分別為61.4 Gbps 和 25.6 Gbps。

新型的傳感器設(shè)計用于為相機生商實現(xiàn)輕松和高性價比的集成解決方案，包括提供一系列片上功能，已達(dá)到寬廣應(yīng)用范圍以及高靈活性：

? 高達(dá)100dB的高動態(tài)范圍(HDR)模式，實現(xiàn)對同一影象里的高反光表面和陰暗范圍進(jìn)行測量和查驗

? 多重取景窗口(Region of Interest，ROI)模式兼顧高測量速度和范圍/分辨率

? 個別參數(shù)提供幀間“熱”配置模式有助于實現(xiàn)靈活性和對環(huán)境條件的實時適配

? 多種曝光觸發(fā)模式能夠完全配合生產(chǎn)線速度

這些傳感器能夠為工業(yè)市場提供以下優(yōu)勢：

? 以2K或4K分辨率實現(xiàn)市場最高速率，提高產(chǎn)能

? 高性價比系統(tǒng)： Flash產(chǎn)品系列提供高性價比(市場最佳Gbps/售價比率)

? 允許對實時環(huán)境條件和生產(chǎn)線速度作出適應(yīng)，實現(xiàn)高靈活性應(yīng)用

3D 視覺提高工廠自主性和效率，性能超越2D

為了改進(jìn)工廠自動化的自主性和效率，無人操作機器人的應(yīng)用正在不斷增加。隨著工廠和倉庫自動化程度越來越高，車間出現(xiàn)了人機密集工作，因而防止事故和提高安全度成為至關(guān)重要的任務(wù)。

在這些日益多變的工作環(huán)境里，飛行時間(Time-of-Flight，ToF)系統(tǒng)成為理想的解決方案，因為它們擁有實時3D信息和決策能力，以及能夠在快速移動的場景中偵測出物件或人員。

飛行時間技術(shù)可分為兩大類：直接飛行時間和間接飛行時間。

直接飛行時間是指系統(tǒng)通過直接計算光線從物件反射的時間量度出距離。

而間接飛行時間則是系統(tǒng)通過計算光波發(fā)射到物件以及從對像反射的相位差異而得出距離，從而建立3D圖。

圖2 直接飛行時間和間接飛行時間的優(yōu)缺點比較

間接飛行時間 – 相移

優(yōu)點

· 全速(多相像素)

· 背景去除，兼容戶外環(huán)境

· 低軟件復(fù)雜性

缺點

· 混疊

直接飛行時間 – 脈沖重建

優(yōu)點

· 無混疊

· 無錯誤距離測量(不受霧水、塵埃、多路反光影響)

缺點

· 嚴(yán)苛的速度要求(光脈沖速度以納秒計算)

· 相對高的計算復(fù)雜性

Teledyne e2v提供采用訂制化傳感器的直接飛行時間系統(tǒng)，以及使用完整標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的間接飛行時間系統(tǒng)。

Teledyne e2v 在飛行時間技術(shù)和解決方案上有超過10年的經(jīng)驗，并以在用于自動化、機器人、汽車和監(jiān)控工業(yè)專有傳感器方面的成功范例為基礎(chǔ)，實現(xiàn)創(chuàng)新飛行時間像素的強大能力。

我們的標(biāo)準(zhǔn)飛行時間傳感器通過以下特點，對應(yīng)客戶需求：

? 高空間分辨率，實現(xiàn)大視場范圍和高角度分辨率

? 快速實時無運動模糊3D測定，在全分辨率下實現(xiàn)超過30fps深度圖

? 提供近、中、遠(yuǎn)距離偵測和管理

? 能在任何環(huán)境條件實現(xiàn)超高可靠度測距：具有在環(huán)境光條件下的出色高精度和強大功能，以及多系統(tǒng)工作

飛行時間技術(shù)處理復(fù)雜環(huán)境工作

相較其它3D技術(shù)，飛行時間具有快速、簡單、低成本，以及在中至遠(yuǎn)距離提供出色的3D性能的特點。

再者，正如上文提及，飛行時間技術(shù)具有高靈活性 – 由于它無需按設(shè)定校準(zhǔn)(如工廠校準(zhǔn))，因而可以固定在活動機器人上。系統(tǒng)也可以適應(yīng)任何工作設(shè)定，使得飛行時間系統(tǒng)很好的配合復(fù)雜的環(huán)境和條件工作。

以下是一些飛行時間在工廠或倉庫應(yīng)用的的最適用范例：

圖 3 飛行時間應(yīng)用范例

? 量度箱子或包裝的外形尺寸和體積：飛行時間系像系統(tǒng)能夠量度箱子或包裝的尺寸和體積，以便于最有效裝盤或集運(優(yōu)化裝箱和貨車載荷)或提高產(chǎn)線效率

? 用于智能高效倉存管理的貨件識別：相較于2D傳統(tǒng)成像處理系統(tǒng)，飛行時間成像系統(tǒng)能夠以更短的時間檢測貨件或包裝尺寸

? 抓取與放置：飛行時間系統(tǒng)檢測和識別合適的物件進(jìn)行抓取，并放置到合適的位置，相較使用2D傳統(tǒng)成像處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)更高準(zhǔn)確性和更短時間。

與市場現(xiàn)有產(chǎn)品相比， Bora傳感器(Teledyne e2v去年發(fā)布產(chǎn)品)為需要為固定物件進(jìn)行分析的應(yīng)用提供獨特的優(yōu)勢。這一款傳感器具有1.3MP高分辨率，能夠以2D和3D擷取具有寬廣視場的大面積現(xiàn)場，實現(xiàn)高性價比的優(yōu)化系統(tǒng)。我司所有飛行時間傳感器均設(shè)計用于高靈活性應(yīng)用，可適應(yīng)不同的工作條件并提供具有深度圖的實時3D影像擷取，并在全分辨率下以四相工作實現(xiàn)超過30fps的高速度。

Bora傳感器的功能亮點：

? 創(chuàng)新10μm 像素設(shè)計

? 1,280 x 1,024 像素空間分辨率

? 卓越的靈敏度和獨有的片上門控全局快門模式，實現(xiàn)最快42ns 門控時間

飛行時間系統(tǒng)助力機器人在工廠環(huán)境以及其它應(yīng)用中無人操控安全工作，比其它3D技術(shù)提供更多優(yōu)勢

圖4 機器人導(dǎo)向應(yīng)用范例

今日的導(dǎo)向系統(tǒng)大多使用傳統(tǒng)激光雷達(dá)(Lidar)掃描儀和偵測物件，但由于它們有一些缺點，使得有越來越多使用如非直接飛行時間等其它技術(shù)的解決方案。相較于傳統(tǒng)激光雷達(dá)(Lidar)掃描儀，非直接飛行時間系統(tǒng)能提供實時影像信息，并有快速響應(yīng)時間和無運動模糊的特點。由于它們不含機械部件，因而也有性能更強大、緊湊尺寸的特點。而固態(tài)設(shè)計更低功耗和更少計算的特點則可實現(xiàn)低成本。

表 2. 傳統(tǒng)Lidar 與非直接飛行時間“頂層”比較

在上述的應(yīng)用中，飛行時間系統(tǒng)能解決不少挑戰(zhàn)。系統(tǒng)需要處理從10米起的短、中、長距離測量，速度也要足夠的快以避免產(chǎn)生瑕疵(現(xiàn)在市場上大部分飛行時間解決方案均集中于最大5-6米的短距踓)。另外，系統(tǒng)有可能需要在不同光線變化的條件下工作，例如機器人在工廠或倉庫到處移動工作，但不會對同一區(qū)域內(nèi)的其它機器人構(gòu)成障礙。

2020年7月， Teledyne e2v 發(fā)布了 Hydra3D傳感器，它是市場同級最佳飛行時間傳感器，它的創(chuàng)新的像素和高度靈活配置，實現(xiàn)非常高的動態(tài)范圍，為應(yīng)用提供直觀技術(shù)，以完美應(yīng)付各種工作條件。Hydra3D 具有832 x 600像素分辨率，10μm三內(nèi)存節(jié)點像素，允許最高3D性能水平，包括高深度分辨率，高速度和靈活工作條件。

Hydra3D 的創(chuàng)新多內(nèi)存節(jié)點像素能夠提供重建3D圖像所需的三個相位，有助于在快速移動場景中擷取無運動模糊的精準(zhǔn)3D信息。

三內(nèi)存節(jié)點像素提供在單幀中建構(gòu)3D圖所需的多相位信息擷取和存儲能力，無需像其它非直接飛行時間技術(shù)般使用多幀技術(shù)。這一技術(shù)在快速移動場景應(yīng)用避免任何運動模糊是非常強大的功能。這類似于2D視覺技術(shù)中全局快門和卷閘快門的差異。

三內(nèi)存節(jié)點像素能夠以單個光脈沖擷取所有相位，實現(xiàn)光能優(yōu)化使用。在下圖的應(yīng)用實例中，幀率保持不變，使得平均功耗大大減小。不過光能取決于高幀率或高精度 (配合多重捕獲)。

圖 5 單內(nèi)存節(jié)點與三內(nèi)存節(jié)點比較圖

Hydra3D 傳感器的其它優(yōu)勢包括配置靈活性和多重片上功能。例如強大的片上高動態(tài)范圍(HDR)功能配合高幀率和靈活配置，允許用戶對距離范圍、物件反光度、幀率等進(jìn)行權(quán)衡，以及面向環(huán)境光的強大效能。而用于強大的多重飛行時間系統(tǒng)工作的獨特片上功能則讓異步系統(tǒng)同步工作而不互相干擾。

Hydra3D 傳感器的主要特征如下：

CCD 年代的時間飛行

時間飛行的影象處理是相較傳統(tǒng)2D視覺系統(tǒng)更復(fù)雜的技術(shù)。它涉及光學(xué)和照明系統(tǒng)，取決于多個參數(shù)(如傳感器或視場、工廠校準(zhǔn)、專有傳感器配置) 以便于完全配合應(yīng)用需求。

我們經(jīng)常把時間飛行傳感器和CCD傳感器比較，因為復(fù)雜的設(shè)定需要在系統(tǒng)級投放大量力量以集成傳感器，應(yīng)用設(shè)定的控制因而 成為關(guān)鍵因素。

基于我們在飛行時間ToF CMOS傳感器的專門技術(shù)以及與客戶的緊密工作，Teledyne e2v獲得關(guān)于飛行時間系統(tǒng)的原生挑戰(zhàn)的深厚經(jīng)驗。為了幫助客戶加快上市時間和獲得適合應(yīng)用要求的最佳飛行時間系統(tǒng)，我們提供從CMOS影像傳感器到訂制相機模式等一系列技術(shù)解決方案，涵蓋完整系統(tǒng)到系統(tǒng)集成支持。這包括了一個使用我們的評估平臺的參考設(shè)計，照明和光學(xué)評估，肉眼安全考慮，建模和仿真、算法和校準(zhǔn)。

圖 6 Teledyne-e2v 的飛行時間技術(shù)和能力可達(dá)到系統(tǒng)級

總結(jié)

隨著工廠和物流倉庫進(jìn)入自動化年代，帶動了高效無人操作工業(yè)系統(tǒng)的需求，特別是用于導(dǎo)向機器人和機器(用于物件辨識，導(dǎo)向，高速和精準(zhǔn)度)的3D視覺技術(shù)。市場上存在多種3D技術(shù)，每種各有優(yōu)缺點和配合技術(shù)，大部分取決于應(yīng)用需求。所有的這些技術(shù)都需要具有精密功能的高效傳感器。

Teledyne e2v擁有與市場領(lǐng)先廠商合作的成功案例，并提供包括3D視覺的廣泛獨有解決方案系列，以服務(wù)諸如工廠自動化、物流和測量應(yīng)用。我們在高性能CMOS影像傳感器的獨有技術(shù)(集成先進(jìn)像素和獨特功能) 結(jié)合超過10年的在飛行時間系統(tǒng)的具體經(jīng)驗，助力我們幫助客戶解決3D視覺方面的種種挑戰(zhàn)。