工業(yè)攝影機強化支持機器視覺

工業(yè)攝影機制造商一直都面臨著設(shè)計出更小尺寸產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。機器視覺攝影機與消費型攝影機解決方案不同，尤其是工廠自動化攝影機必須符合嚴(yán)格的成套標(biāo)準(zhǔn)和要求。這些要求主要包括低光源下的表現(xiàn)、為達(dá)高速生產(chǎn)/響應(yīng)所需的高幀率需求、對鏡頭和傳感器的優(yōu)異光學(xué)質(zhì)量要求，以及適合工業(yè)應(yīng)用的防水性和其他特定具長期可靠性的需求。此外，機器視覺系統(tǒng)也常須支持復(fù)雜的工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)，如時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking， TSN）、GigE Vision和CoaXPress等。

機器視覺對攝影機要求嚴(yán)苛

機器視覺攝影機應(yīng)用，常要求使用比消費型應(yīng)用更大、效能更高的組件。例如影像傳感器的大小——不同于畫素分辨率——是直接與攝影機的光量成正比，因此更大的傳感器通?？商峁└鼉?yōu)異的影像質(zhì)量。另一方面，高分辨率傳感器也會產(chǎn)生更精細(xì)的影像，同時需要更高的幀率才能加快影像擷取速度，進(jìn)而加快生產(chǎn)線或機器人的運作速度。這樣高分辨率和更快速的傳感器能產(chǎn)生高畫素數(shù)據(jù)速率，進(jìn)一步提升圖像處理流程的作業(yè)負(fù)載（圖1）。

除了感測、處理和優(yōu)化影像之外，攝影機還必須支持機器視覺攝影機常用的高速接口，如GigE Vision、USB3 Vision、CoaXPress、Camera Link和Camera Link HS等（圖2），也必須在帶寬、纜線長度、成本和復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。與普通消費型產(chǎn)品相比，工業(yè)攝影機還必須符合更嚴(yán)格的安全性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)（表1）。例如，大多數(shù)工業(yè)攝影機都提供至少三年保固期（不過一般使用時間能長于三年）、能在寬溫范圍下運作（通常為-40到+85°C），且須通過多家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的認(rèn)證，如ISO、TUV、RoHS和CE等。

此外，工業(yè)攝影機用戶也提出越來越多功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全要求，尤其當(dāng)這些攝影機已成為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分，且有人員在系統(tǒng)中工作的時候。

攝影機的光學(xué)組件，即鏡頭系統(tǒng)，也對攝影機的大小極具影響力。其類似于傳感器，較大的鏡頭一般能為攝影機系統(tǒng)擷取更多的光，而采用更高質(zhì)量的鏡頭材料和更復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計也能達(dá)到這個效果。選擇鏡頭時需要考慮的其他因素還包含光圈、焦距、具體的鏡頭安裝兼容性、波長需求，以及與選擇的影像傳感器的匹配性。

這些需求與普通消費型手機相機鏡頭有很大差別。例如，許多消費者都傾向于每兩年更換新手機，因此手機相機鏡頭使用壽命明顯較短。為將成本控制在手機總物料清單（Bill of Materials， BOM）的可接受占比之內(nèi)，相機成本嚴(yán)格受限。盡管智能型手機的發(fā)展終結(jié)了上世紀(jì)90年代的最小尺寸手機競賽，但制造商仍面臨著繼續(xù)保持手機相機（傳感器和光學(xué)組件）輕薄的壓力。

除了成本、尺寸和使用壽命，消費型攝影機的其他要求也不同于工業(yè)攝影機。最重要的是能夠獲取「高畫質(zhì)」影像，至少對普通的手機使用者而言是如此，并且可能要考慮人眼的特定偏好，例如應(yīng)該擷取最精準(zhǔn)的色彩或是讓用戶的自拍照更好看。

工業(yè)攝影機尺寸功耗受限

攝影機在工廠中的典型使用模式是機器視覺攝影機，負(fù)責(zé)檢查在自動化生產(chǎn)在線通過的產(chǎn)品。不過如今的工廠對效能、速度、安全與保障提出了更高的要求。現(xiàn)代工業(yè)攝影機必須在不加大尺寸、不增加功耗或成本的情況下滿足這些功能。機器學(xué)習(xí)（ML）正越來越被工廠廣泛使用，因此攝影機必須能夠部署經(jīng)過訓(xùn)練的機器學(xué)習(xí)模型，進(jìn)而比人工更快、更準(zhǔn)確地自動分類、檢測或細(xì)分對象的特性（如圖3）。攝影機能檢查食品飲料、幫助機器人選取和迭放包裝箱、確保正確地為藥物貼上標(biāo)簽，以及在廢棄物管理設(shè)施內(nèi)分類回收再利用的物料。

圖3：YantraVision開發(fā)的棉花雜質(zhì)分類系統(tǒng)

機器視覺攝影機也被逐漸用于工廠外的用途。工業(yè)攝影機是能實現(xiàn)包裹快遞、旅店服務(wù)、倉儲管理、建筑、農(nóng)業(yè)、清潔和許多其他應(yīng)用所使用的自主移動型機器人（Autonomous Mobile Robot， AMR）的主要技術(shù)，如圖4。毋庸置疑，AMR作為移動型系統(tǒng)，對低功耗和尺寸有嚴(yán)格的要求。即使在工廠內(nèi)，機器人也必須與工作人員密切協(xié)作運行，而使機器視覺攝影機的尺寸和功耗受到限制。

圖像處理亦面對創(chuàng)新壓力

機器視覺攝影機如同消費型攝影機一樣，分辨率也在不斷提升。索尼（Sony）的高階機器視覺影像傳感器的分辨率現(xiàn)在可達(dá)到2，500萬和3，100萬畫素；佳能（Canon）則推出一款2.5億畫素的工業(yè)影像傳感器。在傳感器的類型和擷取的光數(shù)據(jù)方面也持續(xù)創(chuàng)新。傳統(tǒng)攝影機采用以硅為基礎(chǔ)的CMOS技術(shù)，用紅、綠、藍(lán)（RGB）畫素優(yōu)化可見光成像。但是在許多應(yīng)用中，其他類型的傳感器能提供更優(yōu)異、更強大的功能。例如偏光（Polarization）傳感器能「看穿」水和倒影，短波紅外線（Short-wave Infrared， SWIR）傳感器能偵測和透視特定材料（如圖5），而熱傳感器能擷取溫度數(shù)據(jù)而非可見光數(shù)據(jù)。由于Covid-19帶來的篩檢需求，溫度測量應(yīng)用近期備受關(guān)注。

圖5：可見光與SWIR檢查的對比

如今對攝影機的要求已遠(yuǎn)不止于將傳感器數(shù)據(jù)處理成可見或可用的影像。機器學(xué)習(xí)正被越來越多地運用于打造智能工廠和AI系統(tǒng)。它們經(jīng)過快速訓(xùn)練后，能夠判斷產(chǎn)品是否符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，或者經(jīng)過再次訓(xùn)練后，能組合成新設(shè)計的產(chǎn)品。盡管網(wǎng)絡(luò)攝影機肯定可以使用云端資源來進(jìn)行儲存和影像分析，但基于帶寬、安全和延遲等現(xiàn)實考慮也要求在邊緣完成圖像處理和機器學(xué)習(xí)，例如在智慧AI攝影機中。

這不僅需要創(chuàng)新的攝影機傳感器，也需要創(chuàng)新的圖像處理流程。標(biāo)準(zhǔn)的影像訊號處理器（Image Signal Processor， ISP）通常針對傳統(tǒng)的RGB CMOS傳感器進(jìn)行優(yōu)化，尤其是為大量應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，例如消費型手機、無人機、平板計算機等。而正如前文所介紹，工業(yè)應(yīng)用則代表大量不同的使用案例和技術(shù)，雖然存在特定的標(biāo)準(zhǔn)（如MIPI、GigE Vision和PCI Express等接口標(biāo)準(zhǔn)），但對攝影機的要求可能大相徑庭。

InFO封裝Zynq UltraScale+

盡管自我調(diào)適操作數(shù)件如多重處理器系統(tǒng)單芯片（MPSoC）提供的運算效能和靈活應(yīng)變性獲得工業(yè)攝影機開發(fā)人員的青睞，但在過去一般采用具數(shù)百個針腳的較大尺寸封裝。例如，在初始版本中，Zynq UltraScale+ ZU2CG/EG和ZU3CG/EG等MPSoC的最小封裝尺寸是484針腳、間距0.8mm的19×19mm覆晶（Flip-chip）球門陣列（Ball Grid Array， BGA）。

如今這兩款MPSoC現(xiàn)在已具備采用較小尺寸的封裝。藉由臺積電（TSMC）的整合扇出型（Integrated Fan-Out， InFO）封裝技術(shù)，在不減少I/O或影響效能的前提下，大幅縮小封裝尺寸至9.5×16mm。InFO封裝消除了傳統(tǒng)芯片規(guī)模封裝（Chip Scale Packaging， CSP）的基板，實現(xiàn)更小、更薄的高密度互連封裝。

在InFO封裝中，Zynq MPSoC僅占用不到一半的電路板空間，而且厚度也顯著減少，從2.41mm減少到0.644mm。鑒于工業(yè)應(yīng)用要求的某些新外形尺寸，所有尺寸（長、寬、高）都至關(guān)重要。這兩款組件的InFO封裝版本比最初版本尺寸縮小60%、厚度減少70%（如圖6）。

類似InFO這樣的高芯片面積與封裝面積比（Die Area-to-package Area Ratio， DPR）的封裝要求縮小錫球間距，因而需要印刷電路板（Printed Circuit Board， PCB）提供兼容能力。對于使用InFO的設(shè)計而言，產(chǎn)業(yè)常規(guī)作法是采用以邊緣連結(jié)（Edge Bonding）的高密度互連（High Density Interconnect， HDI）PCB或環(huán)繞封裝的板級底部填充（Underfill），以提供極為顯著的優(yōu)勢。InFO在小外形尺寸封裝中可提供最優(yōu)秀的熱效能，同時藉由節(jié)省面積和實現(xiàn)出色的運算密度以降低產(chǎn)品的總成本。

此外，廠商新提供的ZU1型號進(jìn)一步縮小封裝尺寸并降低功耗。另外，ZU1也為現(xiàn)有的該兩款組件帶來了可遷移的封裝選項。這意味著工程師既可選擇最大的可擴展性（既有非InFO封裝設(shè)計），又可選擇最小的尺寸（表2）。

微型化組件縮小體積不減效能

位于加拿大的Richmond Lucid Vision Labs推出一種名為Triton Edge的工業(yè)機器視覺攝影機，便是以緊湊型工業(yè)產(chǎn)品中InFO封裝的Zynq MPSoC為基礎(chǔ)。為了滿足29×44×45mm的尺寸要求，需要最小巧、最高效的組件。該公司的工程師設(shè)計出了一種創(chuàng)新的柔剛（Flex-rigid）板架構(gòu)，能將大量的組件封裝在緊湊的IP67攝影機外殼中。

Triton Edge的柔剛板設(shè)計結(jié)合此系統(tǒng)單芯片的InFO封裝，能夠提供更進(jìn)階的攝影機控制與客制化，同時保持?jǐn)z影機輕便小巧的外形尺寸。OEM業(yè)者不必依賴攝影機制造商的SDK，也無需在主機PC上開發(fā)和執(zhí)行編碼，藉由創(chuàng)建含AI推論在內(nèi)的客制化FPGA圖像處理流程，就能在攝影機上開發(fā)自己的IP。

除了緊湊型攝影機，InFO封裝的MPSoC也適用于任何同時需要自我調(diào)適運算能力和小巧尺寸的應(yīng)用，包括可攜式醫(yī)療設(shè)備、手持測試設(shè)備、軍用雷達(dá)等。

新款I(lǐng)nFO封裝的微型化Zynq UltraScale+ MPSoC，可給予視覺、醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)備制造商更佳的效能功耗比，為緊湊型外形尺寸攝影機提供智能、分辨率和速度，超越以往1080p乃至720p分辨率和30fps的限制。這些新產(chǎn)品可實現(xiàn)包括客制化圖像處理、應(yīng)用專用加速和AI加速以及工業(yè)級生命周期、可靠性、安全性在內(nèi)的廣泛工業(yè)效能。采用臺積電InFO封裝的微型化MPSoC，能進(jìn)一步幫助工業(yè)攝影機制造商拓展客制化圖像處理、AI加速和其他靈活應(yīng)變功能的應(yīng)用，使之融入最小巧的攝影機和其他緊湊型工業(yè)產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷