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多功能感知方案赋能工业成像应用
 

【作者: 安森美半導體】2021年03月29日 星期一

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在工业机器视觉领域,以及在边缘AI市场,多样的成像方案及先进的成像技术能够满足不同的应用需求。未来的影像感测器依然会追求高解析度,高画质,高性价比,并以智慧方式提高整体成像性能,继续满足各种应用日益增长的需求。


工业自动化趋势及人工智慧(AI)的兴起推动着机器视觉市场快速发展。边缘AI不断地催生出新领域。新冠疫情进一步加速了这些自动化、智慧化趋势。传统的机器视觉产业也在悄悄变化, 这些都离不开影像感测器这双眼睛。安森美半导体是智慧感知的半导体企业,尤其在工业机器视觉,以及在边缘AI市场领先,拥有宽广的成像方案阵容及先进的成像技术,可满足不同应用需求。


工业成像应用如何赋能快速、准确的决策

有一些常见的工业应用需求,如测量物体的尺寸或确定液体的液位,定位或引导时为机器人提供「眼睛」以确定在哪里抓取物体,计数或检验时进行数量统计或判断包装是否完整,解码或辨识时要能读取条码或进行光学字元辨识等等。


设计人员需要根据应用需求考虑和优化不同的成像叁数:解析度直接与影像感测器上可用的画素数量有关,区分场景中的单个被测物特徵。高影像品质对於消除错误或不准确的结果至关重要。高帧率有利於捕捉高速运动的物体和轨迹,并能及时解决问题。


此外,整个系统的成本是将所有这些叁数结合在一起的关键因素,也须加以考虑。如果仅通过增加画素来提高解析度,就会产生更大的影像感测器,成本更高,但也需要更昂贵的镜头。如果通过减少画素大小来提高解析度,感测器和镜头成本的增加可能会减少,但这也可能会影响影像品质。如果解析度和帧速率高於给定应用所需要的,那麽应用的数据频宽需求(和基础设施成本)就会高於其他情况。


因此,关键是以智慧方式提高整体成像性能,以继续满足这些应用日益增长的需求。


成像技术

高速率,短曝光

工厂的视觉检测基本都是对应高速移动的物体,传送带的速度特别快,那麽采用高帧率、短曝光控制以防止运动模糊,才能利用AI演算法实现正确的智慧判断和快速决策。


全域快门

因为滚动式快门内部没有可以储存电荷的储存节点,每一行曝光结束需要把这一行的数据尽快读出再开始下一行的曝光,那麽当物体在快速运动,影像整帧自上而下不同的时间曝光方式,就会使影像产生空间上的失真变形,而全域快门整帧完全同一时间曝光,捕获的所有画素正确还原了运动物体的真实样子,就不会产生扭曲。


全域快门影像感测器捕获影像并以逐画素的方式将捕获到的数据储存在储存节点上。在非常明亮的光线条件下,保护储存节点免受环境光线破坏数据是至关重要的,同时数据还要保存在储存节点上。衡量该节点的保护情况的一种方法称为全域快门效率(GSE)。较差的GSE会导致影像中的重影效应。这种重影效应会导致机器视觉演算法的性能问题。


解析度

平板检测是整个工业机器视觉产业中,对影像感测器最有挑战性的应用。它从1 K、2 K、4 K一直到8 K,画素在逐渐扩大。检测大致分两种:一种是暗检测,上电前主要检测一些指纹、划痕和其他物理上的问题;另外就是上电以後,特别是在OLED,加上最新的AMOLED(Active Matrix OLED)。


LCD是有一个亮板在後面作为发光源,而OLED,特别是AMOLED,它的每个画素都是一个单独发光源。画素和画素之间发光的强度和色彩的均匀度都要能够很准确地侦测出来,这就对影像感测器的要求非常高。过去检测LCD面板上的1颗画素,对应需要9个画素(3×3),OLED则对应可能需要16个画素(4×4),甚至25个(5×5)画素。所以对影像感测器的解析度要求越来越高,并要求检查相机提供非常高的影像品质和高均匀性以确保相机中的品质问题不会被误解为显示中的产品缺陷。


对印刷电路板的检查也通常需要高解析度的影像感测器,以确认电路板组件(积体电路、电容、电阻等)已经正确地放置并焊接到位。检查电路板的速度是解析度和帧率的结合影像捕获的尺寸越大,一次可以检查的电路板越多;影像捕获的速度越快,检测的效率就越高。


使用安森美半导体的XGS 45000可捕获一个更大的影像:(超过8000画素宽)几??每秒1900画素的数据率、效率超过之前使用方案的3倍。这种高解析度和高速的结合使这种类型的检测应用能够更快、更有效地执行,提高制造过程中的生产率。


又如广播/监控应用,结合了许多不同性能向量,需要高解析度、高频宽和高影像品质,且对解析度的需求在持续增长,从高画质到4 K,再到8 K。安森美半导体的XGS 45000,实际有比8 K 更高的解析度,可以以60 fps的速度提供12 bit的数据输出,清晰拍摄轻微的动作。值得一提的是,东京奥林匹克的会场将会用到采用XGS 45000的相机。


影像比例

并不是所有的应用都需要高解析度,一些机器视觉应用也有特定的解析度需求。与传统的由显示标准(16:9或4:3)驱动的RGB观看应用程式不同,许多机器人和机器视觉方案可通过使用不同的解析度进行优化。如安森美半导体的200万画素AR0234在X方向给出了更隹的条码方案的额外画素。在XGS系列影像感测器中,800万画素、900万画素、1200万画素分别提供了2:1、1:1、4:3的影像比例,XGS的3000万画素、32000万画素分别提供了1:1和4:3的影像比例,1:1可用在半导体检测,而4:3可用在萤幕检测。


成像新需求:立体视觉

近两年来很多应用增加了对深度资讯的需求,以前2D的成像资讯开始往3D立体视觉推进,双目相机、结合结构光的相机是目前比较常见的3D应用方案。安森美半导体的PYTHON系列影像感测器产品常会用在这些方案里。另外还有采用飞行时间(TOF)、Super Depth pixel 和雷达的3D方案。安森美半导体的直接飞行时间(DTOF)镭射雷达产品有单点的矽光电倍增管(SIPM),在医疗、工业、汽车都有应用,还有1×12或1×16的阵列,下一代的镭射雷达都会用到这样的产品。最新开发出来的400×100 单光子雪崩二极体(SPAD)面阵,已经不只是点云了,已经和影像感测器差不多了,可以实现有深度资讯的影像。


成像方案范例

工业级全域快门方案:XGS系列


图1 :  经济型全域快门方案:AR0234
图1 : 经济型全域快门方案:AR0234

XGS是安森美半导体最新一代的工业级全域快门影像感测器,用了最新的3.2 um 画素工艺,影像品质好,杂讯小,一致性高,高帧率,低功耗,宽温设计,并且极具性价比优势,可以用在多种工业应用上。


它是一个系列化的家族产品X-CLASS平台,从200万画素到4500万画素,用两套硬体电路板就可以相容总共11个解析度,其中200万~1600万画素可以轻松放进29 mm*29 mm的相机平台,2000万~4500万画素做到引脚相容(pin to pin),客户设计一个硬体平台可以根据具体应用需求选择相应的解析度感测器。摄影机制造商可充分利用现有的零件库存并加快新摄影机设计的问市时间。


这一代产品将会颠覆目前市场竞争格局,为用户提供了非常有吸引力的选择。特别地,XGS 45000用於解析度要求高的、需要高速数据捕获和传输的机器视觉和工业成像应用,XGS 12000则是具性价比的选择,能以90 fps捕获清晰、高解析度影像。


经济型全域快门方案:AR0234


图2 :  人脸辨识付款应用 AR0230 HDR
图2 : 人脸辨识付款应用 AR0230 HDR

AR0234的200万画素解析度、120帧速率及光学尺寸适用於大部分传统的工业检测、自主行动机器人、工业扫码、双目深度测量等。安森美半导体还使用AR0234搭配系统单晶片(SOC) 影像讯号处理器AP1302做了相应的方案,帮助客户加快开发。


人脸辨识付款应用: AR0230 HDR

无接触的通过飞机场、火车站、高铁站等闸囗的场景将越来越普遍。AR0230是一个200万画素、晶片内建宽动态合成功能的影像感测器。宽动态对无接触系统非常重要,而AR0230能提供很好的影像品质,支援从黑暗的夜晚到明亮的阳光等各种照明条件,进而提高人工智慧的判断精度。


背照式滚动式快门:AR0521

AR0521能以60 fps 捕获 500万画素影像,且安森美半导体还提供近红外增强的版本。500万画素的解析度适用於安防、工业、监控以及边缘AI等各种应用。例如安森美半导体在Vision China 2021展出的使用AR0521的热能仪叁考设计,用於非接触式辨别摄影头前经过的人是否发热,是否戴囗罩,有助於排查疫情病例,减少病毒传播。


简化系统设计的平台:DevSuite


图3 : DevSuite
图3 : DevSuite

为易於客户评估,安森美半导体提供一个基於PC的评估系统DevSuite。设计人员可将DevWare软体加载到个人电脑上,通过一个标准的USB介面连接到所选用的感测器硬体上。通过这一平台,只需要更换感测器主板的硬体来评估感测器的性能。


影像感测器在工业中的应用案例

1.XGS系列用於智慧交通系统、机器视觉和工业

JAI A/S是工业生产检测相机方案的领先供应商之一,已将XGS 45000整合到其新的4500万画素工业相机中。SP-45000M-CXP4提供4470万画素黑白解析度,每秒52帧,并支持全8 K解析度,每秒超过60帧。


全球工业和零售应用、医疗设备和交通系统数位相机制造商巴斯勒(Basler)也把XGS感测器整合到他们基於CoaXPress 2.0机器视觉标准的boost平台中,称XGS系列特别适合於新设计以及现有高解析度视觉系统中从CCD到CMOS的过渡。


全球数位成像技术企业之一Teledyne Imaging也看重XGS感测器技术的性能、更高的解析度和品质,在其GenieTM Nano-5G M/C8100区域扫描相机中,采用了XGS 45000、XGS 30000和XGS 20000。


2. 毅力号漫游车在火星着陆

毅力号是首个在降落过程中主动完成导航的任务,这是火星任务技术的一项巨大进步,由基於影像感测器的摄影机赋能。毅力号共有23架摄影机,有6架采用了安森美半导体的影像感测器,包括130万画素、1/2 英寸 CMOS影像感测器Python 1300和500万画素、1英寸影像感测器Python 5000。


总结

未来的影像感测器依然会追求高解析度,高画质,高性价比。安森美半导体将不断推陈出新,以3D成像、高光谱和多光谱成像为未来的方向,赋能机器超越人眼的视觉。


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