安森美機器視覺系統(tǒng)解決方案

機器視覺廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，涵蓋眾多應(yīng)用場景。在制造業(yè)中，利用機器視覺執(zhí)行的任務(wù)有：對子組件進行最終檢查，查驗零件有無潛在制造缺陷等等。在自動化領(lǐng)域，機器視覺在引導(dǎo)機器人方面發(fā)揮著重要作用。此外，它還用于驗證數(shù)據(jù)矩陣碼、檢查食品包裝和讀取條形碼。機器視覺系統(tǒng)方案指南將全面介紹機器視覺系統(tǒng)方案及市場趨勢，本文為第二部分，將重點介紹系統(tǒng)描述、方案概述、系統(tǒng)實現(xiàn)。

系統(tǒng)描述

圖像傳感器

物理參數(shù)：

分辨率：每幀或每幅圖像的信息量等于水平像素數(shù)乘以垂直像素數(shù)。對于機器視覺應(yīng)用而言，并不需要像消費級相機那樣的極高分辨率，因為過高的分辨率會增加對傳感器和圖像處理器帶寬的需求，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本的無謂增加。用戶應(yīng)當(dāng)根據(jù)掃描對象的特性及對象上的光照量來選擇合適的分辨率。

光學(xué)格式：確保鏡頭聚焦光線的投影與傳感器的像素陣列相匹配，以便完全覆蓋傳感器，充分利用其分辨率。

長寬比：根據(jù)目標(biāo)視場的布局選擇最適宜的長寬比（如1:1、3:2等），避免購買超過實際應(yīng)用所需的分辨率。

幀率：當(dāng)目標(biāo)快速移動時，需要足夠的每秒幀數(shù)來捕捉并“凍結(jié)”運動，同時跟上成像的物理空間。但如同分辨率一樣，幀率也只需滿足解決問題的最低需求即可。

動態(tài)范圍(DR)：由滿阱容量和讀取噪聲等因素決定的動態(tài)范圍，表示的是最大信號與最小信號之間的比率。動態(tài)范圍越大，傳感器越能精確捕捉應(yīng)用場景中從明亮到陰暗的細節(jié)變化。

競爭優(yōu)勢

安森美的圖像傳感器在惡劣光照條件下的動態(tài)范圍表現(xiàn)優(yōu)異，這得益于其全像素架構(gòu)設(shè)計，使得傳感器在各種光照條件下，包括低光環(huán)境，都能保留更豐富的細節(jié)。其可擴展的產(chǎn)品系列有助于降低系統(tǒng)開發(fā)的成本和時間。

圖像傳感器

光學(xué)參數(shù)：一些看似需要彩色的應(yīng)用實際上可以通過單色方案以更簡單、更經(jīng)濟的方式解決。無論何種情況，基于硅的每個像素都會將光（光子）轉(zhuǎn)化為電荷（電子）。每個像素阱所能處理的最大電荷量有限，一旦超過就會發(fā)生飽和。每次曝光后，每個像素中的電荷程度與照射到該像素的光量相關(guān)。

卷簾快門與全局快門：當(dāng)前大多數(shù)傳感器都支持全局快門，即所有像素行同時曝光，從而消除運動引起的模糊。但是，實現(xiàn)全局快門所需的傳感器上電子器件會增加一定的成本，因此對于某些應(yīng)用來說，使用卷簾快門傳感器仍然是有意義的。

像素大小：物理像素越大，所能接納的光子就越多。一般來說，傾向于使用大像素。但這樣一來，就需要耗費更多的硅面積來支持所需的 x x y （x by y）陣列以實現(xiàn)相應(yīng)的分辨率，并且需要更大的光學(xué)系統(tǒng)，進而導(dǎo)致物料單成本上升。另一方面，非常小的像素需要復(fù)雜的光路設(shè)計才能實現(xiàn)良好的光學(xué)分辨率。

輸出模式：在全分辨率下，每個傳感器通常都有一個“標(biāo)準(zhǔn)”預(yù)期輸出，但許多傳感器還提供額外的可切換輸出模式，如感興趣區(qū)域 (ROI)、像素合并或抽取。此類模式通常以更高的幀率讀取部分像素，使得同一傳感器和攝像頭可以服務(wù)于兩個或更多用途。顯微鏡應(yīng)用就是像素合并的一個例子，它使用高速的像素合并圖像來定位大視野中的目標(biāo)斑點，然后切換到全分辨率以獲得高質(zhì)量的細節(jié)圖像。

圖像傳感器特性 - 全局快門 vs 卷簾快門

光學(xué)傳感器可用于深度感知、環(huán)境中的定向和交互。它是唯一能夠檢測顏色的傳感器方案。采用全局快門的圖像傳感器同時存儲整個圖像中的像素數(shù)據(jù)，而沒有運動偽影，因此非常適合用在四處移動時。卷簾快門傳感器具有更高的動態(tài)范圍，因此可以在較差的照明條件下更好地工作。

全局快門效率 (GSE)

全局快門在捕捉運動場景方面具有優(yōu)勢，并且能為開發(fā)者和制造商帶來其他好處。

最大限度地減少運動偽影：這是全局快門的一個主要優(yōu)勢。全局快門傳感器一次可以捕獲整個圖像，因此避免了卷簾快門圖像中可能出現(xiàn)的失真和偽影，尤其是在捕捉快速移動的物體時。

優(yōu)勢：

每個 ROI 都有統(tǒng)計引擎

控制和適應(yīng)動態(tài)照明條件

精準(zhǔn)照明和 ISP 同步

成像系統(tǒng)易于開發(fā)，縮短產(chǎn)品上市時間

方案概述

深度感知 – 激光雷達

激光雷達（光檢測和測距）在許多機器視覺方案中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，與傳統(tǒng)攝像頭相比具有明顯的優(yōu)勢。它可用于單點、2D 或 3D 監(jiān)測。激光雷達使用激光器，激光器發(fā)射短脈沖。短脈沖經(jīng)物體反射，返回到光電探測器，基于傳輸時間來測量距離。重復(fù)此過程即可獲得周圍區(qū)域的準(zhǔn)確表示。激光雷達使用紅外光發(fā)射器，因此可以在所有光照條件下使用。

3D 繪圖：激光雷達傳感器發(fā)射激光脈沖并測量脈沖反射回來所需的時間，從而能夠創(chuàng)建高度精確的環(huán)境 3D 地圖。

穩(wěn)健運行：激光雷達在各種光照條件下都能有效工作，包括黑暗、煙霧和霧霾等，而攝像頭在這些條件下難以發(fā)揮作用。

高精度：激光雷達測量精度非常高，尤其是對于較遠距離的測量，超出了大多數(shù)攝像頭的能力。

快速輸出：快速輸出是安森美 SiPM 傳感器的一大特性，它能實現(xiàn)短脈沖寬度和極快的信號上升時間。它可用于超快速計時和提高計數(shù)速度。

圖 4：安森美 SiPM 的快速輸出模式

ArrayRDM-0112A20

12 SiPM 像素陣列，共陽極

無快速輸出

微單元有效面積：20x20 μmPDE @ 905nm 16%

微透鏡技術(shù)可實現(xiàn)最大光學(xué)效率

建議 Vop 30V

MicroFC-100

1x1 mm SiPM，適用于單點或 2D 激光雷達

標(biāo)準(zhǔn)和快速輸出

可見光范圍中靈敏度最高

PDE @ 420nm >18% - 取決于微單元尺寸

建議 Vop < 30V?

微單元尺寸：10、20 或 35 μm

框圖 - 工業(yè)激光雷達

激光器通常是脈沖式，因此電源需要具有快速響應(yīng)和良好的瞬態(tài)恢復(fù)能力。

SiPM/SPAD 傳感器在蓋革模式下運行，具有更高的靈敏度和增益。需要一個升壓轉(zhuǎn)換器來將器件偏置到 25V 至 30V。SiPM 可以正偏或負偏，更多細節(jié)請參閱安森美 SiPM 傳感器的偏置和讀取。

發(fā)射器和接收器具有光學(xué)接口或機械接口，用于引導(dǎo)/掃描視場 (FOV) 范圍內(nèi)的能量。

來自傳感器的信號需要放大和辨別（比較器）。

圖 ：采用安森美器件的工業(yè)激光雷達框圖

系統(tǒng)實現(xiàn)

自主傳感器模式 - 深度感知比較表

在工業(yè)機器視覺中，傳感器的選擇合適與否取決于具體任務(wù)。

圖像傳感器具有高角度分辨率和物體邊緣檢測能力，在詳細視覺分析方面表現(xiàn)出色，但在深度感知方面和低光環(huán)境下表現(xiàn)較差。

激光雷達在 3D 應(yīng)用中大放異彩，具有出色的深度分辨率和范圍，但缺乏顏色識別和速度檢測能力。

超聲波傳感器具有優(yōu)異的低光性能和近距離深度準(zhǔn)確性，但角度分辨率和物體細節(jié)檢測能力有限。

歸根結(jié)底，應(yīng)結(jié)合應(yīng)用的需求與技術(shù)的優(yōu)缺點來選擇最合適的傳感器。對于精細物體檢測，圖像傳感器優(yōu)勢顯著。對于精確的 3D 掃描/導(dǎo)航，激光雷達優(yōu)勢明顯。為了在低光條件下實現(xiàn)高效簡便的障礙物檢測，超聲波傳感器是合適的選擇。

表 1.不同機器視覺感知方案的比較

方案概述

機器視覺 – 框圖

下面的框圖代表了安森美推薦的機器視覺方案。

大多數(shù)功能塊器件可從安森美購得，如下面的器件表所示。

方案概述-產(chǎn)品優(yōu)勢

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) – 圖像傳感器

PYTHON 系列

PYTHON 系列全局快門圖像傳感器是針對典型機器視覺應(yīng)用（包括檢查、跟蹤、測量等）進行優(yōu)化的產(chǎn)品線。該系列提供基于 4.5um 或 4.8um 像素的 8 種分辨率，從 VGA 開始，最高 2500 萬像素。幀率為 >800fps 至 80 fps 不等，具體取決于分辨率。所有 PYTHON 器件都有獨特的“二次方增速”特性，即幀率的增加取決于所讀取的感興趣區(qū)域的垂直和水平尺寸。PYTHON 有黑白、彩色和近紅外增強三種版本，同時針對選定的分辨率提供多種速度和質(zhì)量等級選項。

快速、多功能的全局快門圖像傳感器系列

關(guān)鍵特性

8 種分辨率，覆蓋廣泛的應(yīng)用

在 ROI 讀取的情況下，所有 PYTHON 系列器件都有“二次方增速”特性（在窗口的 x 或 y 減小的情況下，幀率也會增加）

先進的全局快門 CMOS 設(shè)計

多種分辨率和速度等級，提供經(jīng)濟有效的成像方案

方形和矩形長寬比，充分利用可用視場 (FOV)

高性能，低噪聲，約 60 dB 動態(tài)范圍

Hyperlux SG 系列

Hyperlux SG 是一款多功能攝像頭，可用于多種用途，包括 AR/VR、機器視覺、條形碼掃描和設(shè)備檢查。它有許多非常適合這些應(yīng)用的特性，包括：最大限度減少運動偽影的全局快門傳感器、可編程的感興趣區(qū)域 (ROI)、適應(yīng)動態(tài)照明的自動曝光和控制、用于精確主動照明的觸發(fā)和頻閃控制，以及適用于電池供電設(shè)備的低功耗運行。今年將會推出更多具有出色特性的傳感器。

適用于便攜式和固定功能設(shè)備的一系列小型器件

ARX383 - VGA，1/8 英寸，120 fps

特性和優(yōu)勢

支持運動場景的高全局快門效率

內(nèi)置自動曝光功能，用于應(yīng)對不同的照明條件

小尺寸

可編程的感興趣區(qū)域

觸發(fā)模式和頻閃控制

XGS 系列

安森美的圖像傳感器系列（也稱為 XGS）集高性能、緊湊像素和低功耗等特性于一體。它提供多種分辨率，從 230 萬至 4500 萬像素不等，適用于廣泛的應(yīng)用。傳感器還采用全局快門設(shè)計，這意味著所有像素同時捕獲光線，從而減少失真和卷簾快門效應(yīng)。此外，傳感器還有黑白和彩色兩種選擇。

關(guān)鍵特性：

出色的圖像質(zhì)量，原始圖像無偽影/圖案干擾

優(yōu)異的電源效率（功耗比競爭產(chǎn)品低 2 倍）

高性能、低噪聲 3.2 μm 像素

極好的尺寸-分辨率組合

29 x 29 mm 攝像頭分辨率高達 16MP (1:1)

4k/8k 視頻 @ 120/60 fps（12 位）(XGS8000 / XGS45000)

XGS 開發(fā)支持工具

XGS X-Celerator

連接標(biāo)準(zhǔn) FPGA 評估環(huán)境的接口

兼容 ANSI/VITA 57.1 FMC 標(biāo)準(zhǔn)

簡化攝像頭設(shè)計并縮短產(chǎn)品上市時間 (TTM)

提供相關(guān)的全套資料：X-Celerator

可用于 XGS 5000/12000/16000/45000

XGS X-Cube

XGS 傳感器板（彩色或黑白），用于轉(zhuǎn)換為 MIPI 輸出的 FPGA 板

用于 Demo 3 / DevWare 接口的 IAS 模塊柔性線纜

簡化攝像頭設(shè)計并縮短產(chǎn)品上市時間 (TTM)

可用于 XGS 5000/12000