安森美多功能感知方案賦能工業成像快速精準的決策
發布時間：2021-03-29 責任編輯：lina
【導讀】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yi確que定ding在zai哪na裏li抓zhua取qu物wu體ti，計ji數shu或huo檢jian驗yan時shi進jin行xing數shu量liang統tong計ji或huo判pan斷duan包bao裝zhuang是shi否fou完wan整zheng，解jie碼ma或huo識shi別bie時shi要yao能neng讀du取qu條tiao形xing碼ma或huo進jin行xing光guang學xue字zi符fu識shi別bie，等deng等deng。設she計ji人ren員yuan需xu要yao根gen據ju應ying用yong需xu求qiu考kao慮lv和he優you化hua不bu同tong的de成cheng像xiang參can數shu：分fen辨bian率lv直zhi接jie與yu圖tu像xiang傳chuan感gan器qi上shang可ke用yong的de像xiang素su數shu量liang有you關guan，區qu分fen場chang景jing中zhong的de單dan個ge被bei測ce物wu特te征zheng。高gao圖tu像xiang質zhi量liang對dui於yu消xiao除chu錯cuo誤wu或huo不bu準zhun確que的de結jie果guo至zhi關guan重zhong要yao。高gao幀zhen率lv有you利li於yu捕bu捉zhuo高gao速su運yun動dong的de物wu體ti和he軌gui跡ji，並bing能neng及ji時shi解jie決jue問wen題ti。
此外，整個係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。 ruguojintongguozengjiaxiangsulaitigaofenbianlv，jiuhuichanshenggengdadetuxiangchuanganqi，chengbengenggao，danyexuyaogengangguidejingtou。ruguotongguojianshaoxiangsudaxiaolaitigaofenbianlv，chuanganqihejingtouchengbendezengjiakenenghuijianshao，danzheyekenenghuiyingxiangtuxiangzhiliang。ruguofenbianlvhezhensulvgaoyugeidingyingyongsuoxuyaode，nameyingyongdeshujudaikuanxuqiu(和基礎設施成本)就會高於其他情況。
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，那麼采用高幀率、短曝光控製以防止運動模糊，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yin為wei卷juan簾lian快kuai門men內nei部bu沒mei有you可ke以yi存cun儲chu電dian荷he的de存cun儲chu節jie點dian，每mei一yi行xing曝pu光guang結jie束shu需xu要yao把ba這zhe一yi行xing的de數shu據ju盡jin快kuai讀du出chu再zai開kai始shi下xia一yi行xing的de曝pu光guang，那na麼me當dang物wu體ti在zai快kuai速su運yun動dong，圖tu像xiang整zheng幀zhen自zi上shang而er下xia不bu同tong的de時shi間jian曝pu光guang方fang式shi就jiu會hui使shi圖tu像xiang產chan生sheng空kong間jian上shang的de失shi真zhen變bian形xing，而er全quan局ju快kuai門men整zheng幀zhen完wan全quan同tong一yi時shi間jian曝pu光guang，捕bu獲huo的de所suo有you像xiang素su正zheng確que還hai原yuan了le運yun動dong物wu體ti的de真zhen實shi樣yang子zi，就jiu不bu會hui產chan生sheng扭niu曲qu。
全(quan)局(ju)快(kuai)門(men)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)捕(bu)獲(huo)圖(tu)像(xiang)並(bing)以(yi)逐(zhu)像(xiang)素(su)的(de)方(fang)式(shi)將(jiang)捕(bu)獲(huo)到(dao)的(de)數(shu)據(ju)存(cun)儲(chu)在(zai)存(cun)儲(chu)節(jie)點(dian)上(shang)。在(zai)非(fei)常(chang)明(ming)亮(liang)的(de)光(guang)線(xian)條(tiao)件(jian)下(xia)，保(bao)護(hu)存(cun)儲(chu)節(jie)點(dian)免(mian)受(shou)環(huan)境(jing)光(guang)線(xian)破(po)壞(huai)數(shu)據(ju)是(shi)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)，同(tong)時(shi)數(shu)據(ju)還(hai)要(yao)保(bao)存(cun)在(zai)存(cun)儲(chu)節(jie)點(dian)上(shang)。衡(heng)量(liang)該(gai)節(jie)點(dian)的(de)保(bao)護(hu)情(qing)況(kuang)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)稱(cheng)為(wei)全(quan)局(ju)快(kuai)門(men)效(xiao)率(lv)(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；另外就是上電以後，特別是在OLED，加上最新的AMOLED（Active Matrix OLED）。LCD是有一個亮板在後麵作為發光源，而OLED，特別是AMOLED，它ta的de每mei個ge像xiang素su都dou是shi一yi個ge單dan獨du發fa光guang源yuan。像xiang素su和he像xiang素su之zhi間jian發fa光guang的de強qiang度du和he色se彩cai的de均jun勻yun度du都dou要yao能neng夠gou很hen準zhun確que地di偵zhen測ce出chu來lai，這zhe就jiu對dui圖tu像xiang傳chuan感gan器qi的de要yao求qiu非fei常chang高gao。過guo去qu檢jian測ceLCD麵板上的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，並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)已經正確地放置並焊接到位。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，提高製造過程中的生產率。
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
並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係列圖像傳感器中，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係列圖像傳感器產品常會用在這些方案裏。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矽光電倍增管(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)麵陣，已經不隻是點雲了，已經和圖像傳感器差不多了，可以實現有深度信息的圖像。
下麵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係列
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 xiangsugongyi，tuxiangzhilianghao，zaoshengxiao，yizhixinghao，gaozhenlv，digonghao，kuangongzuowendu，bingqiejijuxingjiabiyoushi，keyiyongzaiduozhonggongyeyingyongshang。tashiyigexiliehuadejiazuchanpinX-CLASS平台，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-1600萬像素可以輕鬆放進29 mm*29 mm的相機平台，2000萬像素-4500萬像素 做到引腳兼容(pin to pin)，客(ke)戶(hu)設(she)計(ji)一(yi)個(ge)硬(ying)件(jian)平(ping)台(tai)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)選(xuan)擇(ze)相(xiang)應(ying)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)傳(chuan)感(gan)器(qi)。攝(she)像(xiang)機(ji)製(zhi)造(zao)商(shang)可(ke)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)現(xian)有(you)的(de)零(ling)件(jian)庫(ku)存(cun)並(bing)加(jia)快(kuai)新(xin)攝(she)像(xiang)機(ji)設(she)計(ji)的(de)麵(mian)市(shi)時(shi)間(jian)。這(zhe)一(yi)代(dai)產(chan)品(pin)將(jiang)會(hui)顛(dian)覆(fu)目(mu)前(qian)市(shi)場(chang)競(jing)爭(zheng)格(ge)局(ju)，為(wei)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)了(le)非(fei)常(chang)有(you)吸(xi)引(yin)力(li)的(de)選(xuan)擇(ze)。特(te)別(bie)地(di)，XGS 45000用於分辨率要求高的、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於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搭配係統單芯片(SOC) 圖像信號處理器AP1302做了相應的方案，幫助客戶加快開發。
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。寬動態對無接觸係統非常重要。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於安防、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，用於非接觸式甄別攝像頭前經過的人是否發熱，是否戴口罩，有助於排查疫情病例，減少病毒傳播。
簡化係統設計的平台：DevSuite
為易於客戶評估，安森美半導體提供一個基於PC的評估係統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。通過這一平台，隻需要更換傳感器主板的硬件來評估傳感器的性能。
圖像傳感器在工業中的應用案例
1. XGS係列用於智能交通係統、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，並支持全8 K分辨率，每秒超過60幀。
全球領先的工業和零售應用、醫療設備和交通係統數碼相機製造商巴斯勒(Basler)也把XGS傳感器集成到他們基於CoaXPress 2.0機器視覺標準的boost平台中，稱XGS係列特別適合於新設計以及現有高分辨率視覺係統中從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. 毅力號漫遊車在火星著陸
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，由基於圖像傳感器的攝像機賦能。毅力號共有23隻攝像機，有6隻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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