安森美半導體的多功能感知方案賦能工業成像應用
2021-4-1 來源：安森美半導體 作者：-
工業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展。邊緣AI不斷地催生出新領域。新冠疫情進一步加速了這些自動化、智能化趨勢。傳統的機器視覺行業也在悄悄變化， 這些都離不開圖像傳感器這雙眼睛。安森美半導體是智能感知的半導體領袖，尤其在工業機器視覺全球稱冠，在邊緣AI市場也遙遙領先，擁有寬廣的成像方案陣容及先進的成像技術，滿足不同應用需求。
工業成像應用如何賦能快速、準確的決策
有一些常見的工業應用需求，如測量物體的尺寸或確定液體的液位，定位或引導時為機器人提供“眼睛”以確定在哪里抓取物體，計數或檢驗時進行數量統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行光學字符識別，等等。設計人員需要根據應用需求考慮和優化不同的成像參數：分辨率直接與圖像傳感器上可用的像素數量有關，區分場景中的單個被測物特征。高圖像質量對于消除錯誤或不準確的結果至關重要。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，整個系統的成本是將所有這些參數結合在一起的關鍵因素，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量。如果分辨率和幀速率高于給定應用所需要的，那么應用的數據帶寬需求(和基礎設施成本)就會高于其他情況。
因此，關鍵是以智能方式提高整體成像性能，以繼續滿足這些應用日益增長的需求。
成像技術：高速率，短曝光
工廠的視覺檢測基本都是對應高速移動的物體，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算法實現正確的智能判斷和快速決策。
成像技術：全局快門
因為卷簾快門內部沒有可以存儲電荷的存儲節點，每一行曝光結束需要把這一行的數據盡快讀出再開始下一行的曝光，那么當物體在快速運動，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據存儲在存儲節點上。在非常明亮的光線條件下，保護存儲節點免受環境光線破壞數據是至關重要的，同時數據還要保存在存儲節點上。衡量該節點的保護情況的一種方法稱為全局快門效率(GSE)。較差的GSE會導致圖像中的重影效應。這種重影效應會導致機器視覺算法的性能問題。安森美半導體的全局快門圖像傳感器提供業界最佳的GSE。
成像技術：分辨率
平板檢測是整個工業機器視覺行業中，對圖像傳感器最有挑戰性的應用。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光源，而OLED，特別是AMOLED，它的每個像素都是一個單獨發光源。像素和像素之間發光的強度和色彩的均勻度都要能夠很準確地偵測出來，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，對應需要9個像素（3×3），OLED則對應可能需要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量和高均勻性——以確保相機中的質量問題不會被誤解為顯示中的產品缺陷。
對印刷電路板的檢查也通常需要高分辨率的圖像傳感器，以確認電路板組件(集成電路、電容、電阻等)已經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像素的數據率、效率超過之前使用方案的3倍。這種高分辨率和高速的結合使這種類型的檢測應用能夠更快、更有效地執行，提高制造過程中的生產率。
又如廣播/監控應用，結合了許多不同性能向量，需要高分辨率、高帶寬和高圖像質量，且對分辨率的需求在持續增長，從高清到4 k，再到8 k。安森美半導體的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的數據輸出，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：圖像比例
并不是所有的應用都需要高分辨率，一些機器視覺應用也有特定的分辨率需求。與傳統的由顯示標準(16:9或4:3)驅動的RGB觀看應用程序不同，許多機器人和機器視覺方案可通過使用不同的分辨率進行優化。如安森美半導體的200萬像素AR0234在X方向給出了更優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，雙目相機、結合結構光的相機是目前比較常見的3D應用方案。安森美半導體的PYTHON系列圖像傳感器產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 雷達的3D方案。安森美半導體的直接飛行時間(DTOF)激光雷達產品有單點的硅光電倍增管(SIPM)，在醫療、工業、汽車都有應用，還有1×12或1×16的陣列，下一代的激光雷達都會用到這樣的產品。最新開發出來的400×100 單光子雪崩二極管(SPAD)面陣，已經不只是點云了，已經和圖像傳感器差不多了，可以實現有深度信息的圖像。
面介紹幾款安森美半導體的成像方案：
工業級全局快門方案：XGS系列
XGS是安森美半導體最新一代的工業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，并且極具性價比優勢，可以用在多種工業應用上。它是一個系列化的家族產品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)，客戶設計一個硬件平臺可以根據具體應用需求選擇相應的分辨率傳感器。攝像機制造商可充分利用現有的零件庫存并加快新攝像機設計的面市時間。這一代產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、需要高速數據捕獲和傳輸的機器視覺和工業成像應用，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
經濟型全局快門方案：AR0234
AR0234的200萬像素分辨率、120幀速率及光學尺寸適用于大部分傳統的工業檢測、自主移動機器人、工業掃碼、雙目深度測量等。安森美半導體還使用AR0234搭配系統單芯片(SOC) 圖像信號處理器AP1302做了相應的方案，幫助客戶加快開發。
圖2：AR0234
人臉識別付款應用: 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是業界唯一一個200萬像素、芯片內帶寬動態合成功能的圖像傳感器。寬動態對無接觸系統非常重要。而AR0230能提供很好的圖像質量，支持從黑暗的夜晚到明亮的陽光等各種照明條件，進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、監控以及邊緣AI等各種應用。如安森美半導體在Vision China 2021展出的使用AR0521的熱能儀參考設計，用于非接觸式甄別攝像頭前經過的人是否發熱，是否戴口罩，有助于排查疫情病例，減少病毒傳播。
簡化系統設計的平臺：DevSuite
為易于客戶評估，安森美半導體提供一個基于PC的評估系統DevSuite。設計人員可將DevWare軟件加載到個人電腦上，通過一個標準的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
圖像傳感器在工業中的應用案例
1. XGS系列用于智能交通系統、機器視覺和工業
JAI A/S是工業生產檢測相機方案的領先供應商之一，已將XGS 45000集成到其新的4500萬像素工業相機中。SP-45000M-CXP4提供4470萬像素黑白分辨率，每秒52幀，領先市場，并支持全8 K分辨率，每秒超過60幀。
全球領先的工業和零售應用、醫療設備和交通系統數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機器視覺標準的boost平臺中，稱XGS系列特別適合于新設計以及現有高分辨率視覺系統中從CCD到CMOS的過渡。
數字成像技術的全球領袖之一Teledyne Imaging也看重XGS傳感器技術的性能、更高的分辨率和質量，在其GenieTM Nano-5G M/C8100區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航的任務，這是火星任務技術的一項巨大進步，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
未來的圖像傳感器依然會追求高分辨率，高畫質，高性價比。作為機器視覺的領袖，安森美半導體將不斷推陳出新，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。
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