安森美半導(dǎo)體的多功能感知方案賦能工業(yè)成像應(yīng)用

工業(yè)自動化趨勢及人工智能(AI)的興起推動著機器視覺市場快速發(fā)展。邊緣AI不斷地催生出新領(lǐng)域。新冠疫情進(jìn)一步加速了這些自動化、智能化趨勢。傳統(tǒng)的機器視覺行業(yè)也在悄悄變化， 這些都離不開圖像傳感器這雙眼睛。安森美半導(dǎo)體是智能感知的半導(dǎo)體領(lǐng)袖，尤其在工業(yè)機器視覺全球稱冠，在邊緣AI市場也遙遙領(lǐng)先，擁有寬廣的成像方案陣容及先進(jìn)的成像技術(shù)，滿足不同應(yīng)用需求。

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，如測量物體的尺寸或確定液體的液位，定位或引導(dǎo)時為機器人提供“眼睛”以確定在哪里抓取物體，計數(shù)或檢驗時進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計或判斷包裝是否完整，解碼或識別時要能讀取條形碼或進(jìn)行光學(xué)字符識別，等等。設(shè)計人員需要根據(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數(shù)量有關(guān)，區(qū)分場景中的單個被測物特征。高圖像質(zhì)量對于消除錯誤或不準(zhǔn)確的結(jié)果至關(guān)重要。高幀率有利于捕捉高速運動的物體和軌跡，并能及時解決問題。

此外，整個系統(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。 如果僅通過增加像素來提高分辨率，就會產(chǎn)生更大的圖像傳感器，成本更高，但也需要更昂貴的鏡頭。如果通過減少像素大小來提高分辨率，傳感器和鏡頭成本的增加可能會減少，但這也可能會影響圖像質(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)用日益增長的需求。

成像技術(shù)：高速率，短曝光

工廠的視覺檢測基本都是對應(yīng)高速移動的物體，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。

成像技術(shù)：全局快門

因為卷簾快門內(nèi)部沒有可以存儲電荷的存儲節(jié)點，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)物體在快速運動，圖像整幀自上而下不同的時間曝光方式就會使圖像產(chǎn)生空間上的失真變形，而全局快門整幀完全同一時間曝光，捕獲的所有像素正確還原了運動物體的真實樣子，就不會產(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)存儲在存儲節(jié)點上。在非常明亮的光線條件下，保護(hù)存儲節(jié)點免受環(huán)境光線破壞數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的，同時數(shù)據(jù)還要保存在存儲節(jié)點上。衡量該節(jié)點的保護(hù)情況的一種方法稱為全局快門效率(GSE)。較差的GSE會導(dǎo)致圖像中的重影效應(yīng)。這種重影效應(yīng)會導(dǎo)致機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

平板檢測是整個工業(yè)機器視覺行業(yè)中，對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，像素在逐漸擴大。檢測大致分兩種：一種是暗檢測，上電前主要檢測一些指紋、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是有一個亮板在后面作為發(fā)光源，而OLED，特別是AMOLED，它的每個像素都是一個單獨發(fā)光源。像素和像素之間發(fā)光的強度和色彩的均勻度都要能夠很準(zhǔn)確地偵測出來，這就對圖像傳感器的要求非常高。過去檢測LCD面板上的1顆像素，對應(yīng)需要9個像素(3×3)，OLED則對應(yīng)可能需要16個像素(4×4)，甚至25個(5×5)像素。所以對圖像傳感器的分辨率要求越來越高，并要求檢查相機提供非常高的圖像質(zhì)量和高均勻性——以確保相機中的質(zhì)量問題不會被誤解為顯示中的產(chǎn)品缺陷。

對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，檢測的效率就越高。

使用安森美半導(dǎo)體的XGS 45000可捕獲一個更大的圖像：(超過8000像素寬)幾乎每秒1900像素的數(shù)據(jù)率、效率超過之前使用方案的3倍。這種高分辨率和高速的結(jié)合使這種類型的檢測應(yīng)用能夠更快、更有效地執(zhí)行，提高制造過程中的生產(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，且對分辨率的需求在持續(xù)增長，從高清到4 k，再到8 k。安森美半導(dǎo)體的XGS 45000，實際有比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，清晰拍攝輕微的動作。值得一提的是，東京奧林匹克的會場將會用到采用XGS 45000的相機。

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)動的RGB觀看應(yīng)用程序不同，許多機器人和機器視覺方案可通過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，800萬像素、900萬像素、1200萬像素分別提供了2：1、1：1、4：3的圖像比例，XGS的3000萬像素、32000萬像素分別提供了1：1和4：3的圖像比例，1：1可用在半導(dǎo)體檢測，而4：3可用在屏檢。

成像新需求：立體視覺

近兩年來很多應(yīng)用增加了對深度信息的需求，以前2D的成像信息開始往3D立體視覺推進(jìn)，雙目相機、結(jié)合結(jié)構(gòu)光的相機是目前比較常見的3D應(yīng)用方案。安森美半導(dǎo)體的PYTHON系列圖像傳感器產(chǎn)品常會用在這些方案里。另外還有采用飛行時間(TOF)、Super Depth pixel 和 雷達(dá)的3D方案。安森美半導(dǎo)體的直接飛行時間(DTOF)激光雷達(dá)產(chǎn)品有單點的硅光電倍增管(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)都會用到這樣的產(chǎn)品。最新開發(fā)出來的400×100 單光子雪崩二極管(SPAD)面陣，已經(jīng)不只是點云了，已經(jīng)和圖像傳感器差不多了，可以實現(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，并且極具性價比優(yōu)勢，可以用在多種工業(yè)應(yīng)用上。它是一個系列化的家族產(chǎn)品X-CLASS平臺，從200萬像素到4500萬像素，用兩套硬件電路板就可以兼容總共11個分辨率，其中200萬像素-1600萬像素可以輕松放進(jìn)29 mm*29 mm的相機平臺，2000萬像素-4500萬像素 做到引腳兼容(pin to pin)，客戶設(shè)計一個硬件平臺可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇相應(yīng)的分辨率傳感器。攝像機制造商可充分利用現(xiàn)有的零件庫存并加快新攝像機設(shè)計的面市時間。這一代產(chǎn)品將會顛覆目前市場競爭格局，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器視覺和工業(yè)成像應(yīng)用，XGS 12000則是具性價比的選擇，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、自主移動機器人、工業(yè)掃碼、雙目深度測量等。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

人臉識別付款應(yīng)用: AR0230 HDR

無接觸的通過飛機場、火車站、高鐵站等閘口的場景將越來越普遍。AR0230是業(yè)界唯一一個200萬像素、芯片內(nèi)帶寬動態(tài)合成功能的圖像傳感器。寬動態(tài)對無接觸系統(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 500萬像素圖像，且安森美半導(dǎo)體還提供近紅外增強的版本。500萬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，用于非接觸式甄別攝像頭前經(jīng)過的人是否發(fā)熱，是否戴口罩，有助于排查疫情病例，減少病毒傳播。

簡化系統(tǒng)設(shè)計的平臺：DevSuite

為易于客戶評估，安森美半導(dǎo)體提供一個基于PC的評估系統(tǒng)DevSuite。設(shè)計人員可將DevWare軟件加載到個人電腦上，通過一個標(biāo)準(zhǔn)的USB接口連接到所選用的傳感器硬件上。通過這一平臺，只需要更換傳感器主板的硬件來評估傳感器的性能。

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)、機器視覺和工業(yè)

JAI A/S是工業(yè)生產(chǎn)檢測相機方案的領(lǐng)先供應(yīng)商之一，已將XGS 45000集成到其新的4500萬像素工業(yè)相機中。SP-45000M-CXP4提供4470萬像素黑白分辨率，每秒52幀，領(lǐng)先市場，并支持全8 K分辨率，每秒超過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)碼相機制造商巴斯勒(Basler)也把XGS傳感器集成到他們基于CoaXPress 2.0機器視覺標(biāo)準(zhǔn)的boost平臺中，稱XGS系列特別適合于新設(shè)計以及現(xiàn)有高分辨率視覺系統(tǒng)中從CCD到CMOS的過渡。

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)域掃描相機中采用了XGS 45000、XGS 30000和XGS 20000。

2. 毅力號漫游車在火星著陸

毅力號是首個在降落過程中主動完成導(dǎo)航的任務(wù)，這是火星任務(wù)技術(shù)的一項巨大進(jìn)步，由基于圖像傳感器的攝像機賦能。毅力號共有23只攝像機，有6只采用了安森美半導(dǎo)體的圖像傳感器，包括130萬像素、1/2 英寸 CMOS圖像傳感器Python 1300和500萬像素、1英寸圖像傳感器Python 5000。

總結(jié)

未來的圖像傳感器依然會追求高分辨率，高畫質(zhì)，高性價比。作為機器視覺的領(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的方向，賦能機器超越人眼的視覺。