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智慧感知推動機器視覺應用的發展
 

【作者: 安森美半導體】   2019年09月05日 星期四

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工業自動化與人工智慧息息相關,也與機器視覺息息相關。機器視覺技術可說是人工智慧的分支技術,是全球智慧化的「慧」眼影像感測器,影響著很多應用的發展與增展,包括工業自動化、機器人、安全防衛/監控、智慧交通系統(ITS)、智慧家居/建築、智慧零售、虛擬實境(VR)/增強實境(AR)等等。


安森美半導體傳承40多年的成像經驗,擁有2000多項成像專利,提供寬廣的智慧感知產品組合,包括電子捲簾快門前照式(FSI)/背照式(BSI)CMOS感測器、全局快門CMOS感測器、CCD感測器及影像訊號處理器,光學格式從1/13英寸到35mm,解析度從100K到5000萬畫素,滿足不同的應用需求並推動創新。同時,安森美半導體提供電源控制模組、邏輯單元、通訊模組、5G和無線網路、工業局域網等領域配套的半導體晶片。


關鍵的成像技術

高動態範圍(HDR)、全局快門、近紅外增強(NIR+)、RGB-IR、功率可擴展性都是增強嵌入式系統和機器視覺系統性能的關鍵成像技術。動態範圍越高,越能呈現出高對比度、細節清晰的圖片。全局快門則最大地消除運動殘影。


關鍵的全局快門參數包括全局快門效率、讀出雜訊和靈敏度。安森美半導體的全局快門系列產品可廣泛的應用,如條碼掃描、3D深度映射等高要求的應用場景,除了消除運動殘影,還具備低雜訊、增強的深度範圍、快速捕獲等特性。NIR+技術可實現比標準矽工藝好3倍的靈敏度。採用RGB-IR能呈現更豐富、更逼真的圖片色彩。功率可擴展性對於電池供電的攝影機是個關鍵優勢,能在不同幀率有不同功耗,和持續運行,實現低功耗的高能效設計,如在1fps時的低功耗模式。此外,減少LED閃爍(LFM)技術在汽車應用中消除交通訊號燈和汽車照明的高頻LED閃爍,有助於更安全地駕駛。


各種不同的機器視覺應用需求

在自動化領域,機器人需要高性價比的全局快門方案,裝配線需要高速全局快門,嵌入式/智慧應用則注重深度學習和人工智慧,平板檢測要求超高解析度;對於智慧交通系統(ITS),微光性能和全局快門很重要;針對掃描應用,需要高性價比的全局快門;在運動分析領域,應選用超高速全局快門方案。


安森美半導體提供廣泛的視覺方案,採用上述關鍵的成像技術,解決各種嵌入式和機器視覺系統的不同需求和挑戰。


4.5μm ITCCD系列:高解析度和真正的全局快門

CCD技術能夠滿足眾多工業成像應用對影像均勻性的要求;同時市場要求持續的畫素開發達至更高的解析度。如安森美半導體的4.5μm ITCCD感測器 KAI-43140適用於要求嚴格的檢測和空拍等應用,採用35mm光學格式,提供4300萬畫素,與KAI-29050/KAI-29052使用相同的封裝以簡化升級。


最新推出的KAI-50140是高解析度的ITCCD影像感測器,提供5000萬畫素,為智慧手機顯示幕檢測、電路板檢測和機械裝配檢測以及空中偵察提供所需的關鍵成像細節和高影像均勻性。KAI-50140採用2.18:1的長寬比,與現代智慧手機格式相匹配,減少檢測全顯示幕所需的影像擷取次數,並與當紅的KAI-29050、KAI-29052和KAI-43140影像感測器使用相同的接腳定義。4.5μm系列ITCCD提供比前代5.5μm系列在相同幀率下高50%以上的解析度,同時保持關鍵的成像性能,如高動態範圍(> 60dB)、抑制拖尾、CCD級影像均勻性和電子全局快門。


最初的攝影機設計,設計人員使用每一款影像感測器都需從零開始設計開發,耗時費力成本高。安森美半導體的ITCCD系列共用一個通用架構,使單一的攝影機設計能夠支援各種不同的影像感測器,僅需微小的電氣變化便能用於現有的攝影機設計中,加快了採用新元件的上市時間。


PYTHON系列:2塊PCB支援8種解析度

安森美半導體的PYTHON系列,僅需2塊PCB就能支援該系列中的所有8種解析度(從VGA到25Mp),為要求嚴格的工業應用如機器視覺、智慧交通系統(ITS)、安全防衛、監控、醫療和科學提供高性能成像和簡化的升級。


X-Class平台:使單一攝影機設計能支援多種產品解析度和不同的畫素功能


X-Class平台是PYTHON系列的更進一步演進,提供可擴展的單一元件,適用於多種解析度和畫素,使單一攝影機設計不僅能夠擴展影像感測器中的畫素數量,還能夠擴展所使用的畫素類型——無論是全局快門、捲簾快門、增加的動態範圍,還是其他不同的功能。只要將畫素置於X-Class平台所用的通用高速低功耗幀中,就能夠充分利用單一攝影機設計提供所需的支援,採用高帶寬、低功耗架構,是工廠自動化、智慧交通系統(ITS)、廣播成像、智慧零售、機器人等應用的理想選擇。


該平台的XGS系列具備的性能特徵,包括影像品質、功率密度、幀率、可支援的平台、29 x 29mm2相容性。隨著解析度的上升,若畫素尺寸不變,那麼影像感測器晶片尺寸必然會越做越大,與其適配的鏡頭價格昂貴,這會增加整體成本。因而市場需要減小畫素尺寸。X-Class平台首兩款元件XGS 12000和XGS 8000採用先進的3.2μm全局快門畫素,能在同樣的光學尺寸下提高解析度,且先進的畫素設計確保不會因畫素更小而影響影像品質,甚至提供更優的低雜訊、高性能,同時全局快門確保捕捉移動物體無運動殘影。


AR0237 RGB-IR:增強的夜視

@內文;RGB-IR版本AR0237增強的NIR靈敏度增強夜視能力,使得攝影頭無需特別的濾色片進行日/夜的切換,尤其適用於安全防衛應用,具有210萬畫素,解析度1928 x 1088,能實現1080p/60fps輸出,提供出色的微光性能和HDR,支援高動態範圍的長短交錯曝光,同時使用紅外差譜技術以避免顏色的失真,也適用於機器人、AR/VR穿戴式、智慧建築的成像應用。


全局快門AR0144實現靜態和動態場景下快速清晰準確的成像

63.0μm畫素的AR0144採用了創新的全局快門設計,尺寸極緊湊,在條碼掃描器等靜態應用中,AR0144易於設計進掌上型產品中,確保初次掃描省電、省時和方便。


在無人機等動態應用中,該傳感器的低功耗特性能夠延長充電時間間隔,其成像性能能夠更好地映射環境,避免嚴重碰撞。在3D攝影機和AR/VR設計中,AR0144可提供一種性價比更高、尺寸小的方案,用於捕捉雙重影像進行3D成圖或深度感知。AR0144是1/4英寸、100萬畫素CMOS感測器。


AR0431:整合NIR+能力、同步深度映射

增強的NIR+使AR0431即使在最暗的光照條件下也能實現更好的成像,從而幫助安全防衛和物聯網攝影機設計人員創建高靈敏度的夜間模式,基於2.0um BSI畫素,提供多種低功耗模式,幀速率最高120fps,非常適用於要求慢動作影片拍攝的應用。其低功耗優勢使其僅需125mW就能提供400萬畫素、30fps輸出;在低功耗監測模式下,功耗降至8mW,成為電池供電型應用的理想選擇。


AR0431採用Super Depth 技術能夠從單一影像感測器同時獲取彩色影像和深度映射,省下原本需要另外一個單獨提供深度映射功能的感測器,實現AR/VR中簡單的3D模型等功能。


AR0522:高動態範圍與增強的微光性能相結合

AR0522作為安森美半導體高性能捲簾快門系列的元件之一,提供彩色和黑白色彩濾波陣列(CFA)配置選項,1/2.5英寸、510萬畫素,基於一個2.2μm BSI畫素技術平台,專為需要在微光條件下捕捉高解析度、高質量影片的應用而開發,其近紅外波長的靈敏度大概是AR0521影像傳感器的兩倍。


總結

安森美半導體能充分利用先進的成像技術和全面的CMOS和CCD影像感測器產品組合以及廣泛的電源半導體產品組合提供系統方案,滿足不同的應用需求,同時針對市場趨勢持續開發創新的方案,以配合機器視覺檢測和工業自動化等工業成像應用持續推進的需求,並透過公司遍及全球的評估及應用技術支援,幫助客戶應對挑戰和實現創新。


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