【導讀】為了提高效率和性能，工業自動化越來越受歡迎。在自主移動機器人 (AMR)
、倉庫機器人、無人機、農業、工廠檢查和安防/監控等應用場景
，會實施基於機器視覺的人工智能 (AI) 與yu先xian進jin技ji術shu來lai執zhi行xing關guan鍵jian功gong能neng。要yao想xiang提ti高gao現xian有you的de對dui象xiang檢jian測ce和he識shi別bie能neng力li，需xu要yao解jie決jue在zai不bu利li光guang照zhao條tiao件jian下xia
，對dui運yun動dong中zhong的de對dui象xiang和he更geng遠yuan距ju離li的de精jing細xi細xi節jie捕bu獲huo圖tu像xiang的de難nan題ti。安an森sen美mei(onsemi) 新推出的AR0822傳感器具備嵌入式高動態範圍 (eHDR) 功能，可解決工程師在開發自主機器視覺係統時麵臨的複雜設計挑戰。

高動態範圍在工業自動化中的重要性

許多工業應用的工作場景中，光線刺眼
，且明亮區域和黑暗區域同時存在。例如
，室外 AMR 必須在同時存在陽光和黑暗區域的場景中精確運行；監jian控kong係xi統tong警jing報bao是shi否fou觸chu發fa，取qu決jue於yu能neng否fou辨bian別bie未wei授shou權quan人ren員yuan從cong黑hei暗an區qu域yu移yi動dong到dao明ming亮liang區qu域yu。雖sui然ran工gong廠chang工gong程cheng師shi會hui控kong製zhi照zhao明ming以yi便bian在zai需xu要yao捕bu捉zhuo畫hua麵mian細xi節jie的de地di方fang達da到dao理li想xiang亮liang度du水shui平ping，但dan有you些xie倉cang庫ku可ke能neng無wu法fa控kong製zhi照zhao明ming，或huo者zhe可ke能neng需xu要yao花hua費fei高gao昂ang的de成cheng本ben進jin行xing重zhong建jian。此ci外wai，工gong業ye機ji器qi人ren應ying該gai能neng夠gou延yan伸shen到dao多duo個ge位wei置zhi進jin行xing操cao作zuo
，而er這zhe可ke能neng會hui出chu現xian不bu確que定ding的de光guang照zhao條tiao件jian。例li如ru，運yun輸shu包bao裹guo的de無wu人ren機ji在zai夜ye間jian或huo高gao強qiang度du陽yang光guang下xia，可ke能neng就jiu會hui遇yu到dao這zhe種zhong情qing況kuang。這zhe幾ji個ge例li子zi說shuo明ming這zhe些xie自zi主zhu係xi統tong必bi須xu在zai高gao動dong態tai範fan圍wei場chang景jing下xia運yun行xing。

多次曝光 = 更高的動態範圍

傳感器的動態範圍是指圖像傳感器在黑暗和明亮區域中捕獲圖像細節的能力，測量單位為分貝 (dB)。一般而言

，120 dB 的動態範圍可捕獲除極端場景以外的所有場景中的細節（汽車應用需要更高的動態範圍，尤其是在乘客安全方麵）。在這類包含黑暗和明亮區域的場景中，如果使用單次長曝光
，可能會導致明亮區域過飽和；而單次短曝光可能無法捕獲到暗處的細節。

圖 1. 圖像顯示，曝光時間較短可捕獲明亮區域的細節，但會丟失黑暗區域的細節

圖 2. 圖像顯示
，曝光時間較長可捕獲黑暗區域的細節，但會丟失明亮區域的細節

因此
，為了捕獲所有區域的細節，傳感器可采用短、中、長曝光時間，通過多次曝光拍攝多張圖像。然後，將這些曝光合並為單張圖像，以實現高動態範圍，這一過程稱為線性化。

圖 3：圖 1 和圖 2 場景現在具有高動態範圍

現在
，憑借一係列從亮到暗的細節，人工智能識別係統可提高辨認和識別性能。

高分辨率挑戰

如果識別距離更遠，圖像細節更多，則需要更高的分辨率。與對象相距 5 至 10 米遠時，1080p 不足以提供對象檢測和分類所需的細節。因此，對 4K、shenzhigenggaofenbianlvchuanganqidexuqiubuduanzengjia。duiyuzhexiechicundetuxiang，daikuanchengweiyidashejitiaozhan，yinweimeizhangtuxiangdechicunxianzhuzengjia。ciwai，ruguoyaoshixian 120 dB HDR，傳感器需要三次曝光和 3 倍的有效幀率
，因為傳感器會為每幀拍攝三張不同的圖像。例如，對於三次曝光 HDR，如果傳感器的有效幀率為每秒 30 幀 (fps)
，則傳感器陣列、電路和輸出需要在 90 fps 幀率有效工作。幀率為 30 fps 的三次曝光 HDR 4K 圖像如果在獨立於傳感器的 ISP 中執行線性化
，需要 9000 Mbps

，這對處理性能和接口速度是一大挑戰。對於攝像頭係統，將高分辨率與傳感器外 HDR 相結合是一項艱巨的挑戰。

圖 4. 典型的高動態範圍架構通過圖像傳感器和 ISP 之間的接口發送多張圖像，在高分辨率時可能會導致可用帶寬緊張或超出可用帶寬

為了緩解這兩個問題
，安森美AR0822 通(tong)過(guo)將(jiang)實(shi)時(shi)線(xian)性(xing)化(hua)集(ji)成(cheng)到(dao)傳(chuan)感(gan)器(qi)中(zhong)

，智(zhi)能(neng)地(di)嵌(qian)入(ru)高(gao)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)。如(ru)此(ci)一(yi)來(lai)
，即(ji)便(bian)是(shi)在(zai)更(geng)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)時(shi)，傳(chuan)統(tong)的(de)處(chu)理(li)性(xing)能(neng)和(he)接(jie)口(kou)速(su)度(du)也(ye)更(geng)容(rong)易(yi)滿(man)足(zu)需(xu)求(qiu)。

圖 5. AR0822 嵌入式高動態範圍 (eHDR) 圖像傳感器

運動和 LED 照明偽影

由於三次曝光是在不同的時間點進行

，所以 HDR 圖像中會出現偽影。每次曝光時
，快速移動的對象的位置（角速度）將略有不同。

圖 6. 旋轉的風扇，顯示多次曝光 HDR 造成的運動偽影

此外
，帶有 LED 照明的場景可能會出現其他偽影。為節省用電，LED 以攝像頭而非人眼能夠看到的頻率打開和關閉。LED 可能會在第一次曝光時打開，在第二次和第三次曝光時關閉，從而導致多次曝光和多張圖像中的光照水平不同。

圖 7. LED 燈箱
，其中兩列亮起，LED 閃爍偽影造成強度差異

AR0822 eHDR 包含“智能線性化”，以解決這些由多次曝光幀組合而引起的偽影。通過感測一個幀內由不同曝光捕獲的信號電平差異，從而試圖減少通常因運動或 LED 閃爍造成的偽影

，就有可能實現上述目的。

圖 8和圖9. 得益於 AR0822 的智能線性化
，風扇沒有運動偽影且 LED 燈箱的兩列完全亮起

通過在充滿挑戰的光照條件下提供高質量性能，再結合人工智能係統在安防/監控
、AMR 和工業移動機器人應用中所需的目標分辨率
，eHDR 可增強對象檢測與識別。

下載我們的白皮書，詳細了解 AR0822，以及在嵌入式自主機器視覺應用中實施更高動態範圍的圖像傳感器時
，使用 eHDR 如何能夠增加動態範圍並克服其他挑戰。

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