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多功能感知方案賦能工業成像應用
 

【作者: 安森美半導體】   2021年03月29日 星期一

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在工業機器視覺領域,以及在邊緣AI市場,多樣的成像方案及先進的成像技術能夠滿足不同的應用需求。未來的影像感測器依然會追求高解析度,高畫質,高性價比,並以智慧方式提高整體成像性能,繼續滿足各種應用日益增長的需求。


工業自動化趨勢及人工智慧(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、智慧化趨勢。傳統的機器視覺產業也在悄悄變化, 這些都離不開影像感測器這雙眼睛。


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」以確定在哪裡抓取物體,計數或檢驗時進行數量統計或判斷包裝是否完整,解碼或辨識時要能讀取條碼或進行光學字元辨識等等。


設計人員需要根據應用需求考慮和優化不同的成像參數:解析度直接與影像感測器上可用的畫素數量有關,區分場景中的單個被測物特徵。高影像品質對於消除錯誤或不準確的結果至關重要。高幀率有利於捕捉高速運動的物體和軌跡,並能及時解決問題。


此外,整個系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。如果僅通過增加畫素來提高解析度,就會產生更大的影像感測器,成本更高,但也需要更昂貴的鏡頭。如果通過減少畫素大小來提高解析度,感測器和鏡頭成本的增加可能會減少,但這也可能會影響影像品質。如果解析度和幀速率高於給定應用所需要的,那麼應用的數據頻寬需求(和基礎設施成本)就會高於其他情況。


因此,關鍵是以智慧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,那麼採用高幀率、短曝光控制以防止運動模糊,才能利用AI演算法實現正確的智慧判斷和快速決策。


全域快門

因為滾動式快門內部沒有可以儲存電荷的儲存節點,每一行曝光結束需要把這一行的數據儘快讀出再開始下一行的曝光,那麼當物體在快速運動,影像整幀自上而下不同的時間曝光方式,就會使影像產生空間上的失真變形,而全域快門整幀完全同一時間曝光,捕獲的所有畫素正確還原了運動物體的真實樣子,就不會產生扭曲。


全域快門影像感測器捕獲影像並以逐畫素的方式將捕獲到的數據儲存在儲存節點上。在非常明亮的光線條件下,保護儲存節點免受環境光線破壞數據是至關重要的,同時數據還要保存在儲存節點上。衡量該節點的保護情況的一種方法稱為全域快門效率(GSE)。較差的GSE會導致影像中的重影效應。這種重影效應會導致機器視覺演算法的性能問題。


解析度

平板檢測是整個工業機器視覺產業中,對影像感測器最有挑戰性的應用。它從1 K、2 K、4 K一直到8 K,畫素在逐漸擴大。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是有一個亮板在後面作為發光源,而OLED,特別是AMOLED,它的每個畫素都是一個單獨發光源。畫素和畫素之間發光的強度和色彩的均勻度都要能夠很準確地偵測出來,這就對影像感測器的要求非常高。過去檢測LCD面板上的1顆畫素,對應需要9個畫素(3×3),OLED則對應可能需要16個畫素(4×4),甚至25個(5×5)畫素。所以對影像感測器的解析度要求越來越高,並要求檢查相機提供非常高的影像品質和高均勻性——以確保相機中的品質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解析度的影像感測器,以確認電路板組件(積體電路、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解析度和幀率的結合—影像捕獲的尺寸越大,一次可以檢查的電路板越多;影像捕獲的速度越快,檢測的效率就越高。


使用安森美半導體的XGS 45000可捕獲一個更大的影像:(超過8000畫素寬)幾乎每秒1900畫素的數據率、效率超過之前使用方案的3倍。這種高解析度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,需要高解析度、高頻寬和高影像品質,且對解析度的需求在持續增長,從高畫質到4 K,再到8 K。安森美半導體的XGS 45000,實際有比8 K 更高的解析度,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採用XGS 45000的相機。


影像比例

並不是所有的應用都需要高解析度,一些機器視覺應用也有特定的解析度需求。與傳統的由顯示標準(16:9或4:3)驅動的RGB觀看應用程式不同,許多機器人和機器視覺方案可通過使用不同的解析度進行優化。如安森美半導體的200萬畫素AR0234在X方向給出了更佳的條碼方案的額外畫素。在XGS系列影像感測器中,800萬畫素、900萬畫素、1200萬畫素分別提供了2:1、1:1、4:3的影像比例,XGS的3000萬畫素、32000萬畫素分別提供了1:1和4:3的影像比例,1:1可用在半導體檢測,而4:3可用在螢幕檢測。


成像新需求:立體視覺

近兩年來很多應用增加了對深度資訊的需求,以前2D的成像資訊開始往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系列影像感測器產品常會用在這些方案裡。另外還有採用飛行時間(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)鐳射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,下一代的鐳射雷達都會用到這樣的產品。最新開發出來的400×100 單光子雪崩二極體(SPAD)面陣,已經不只是點雲了,已經和影像感測器差不多了,可以實現有深度資訊的影像。


成像方案

工業級全域快門方案:XGS系列


圖1 :  經濟型全域快門方案:AR0234
圖1 : 經濟型全域快門方案:AR0234

XGS是安森美半導體最新一代的工業級全域快門影像感測器,用了最新的3.2 um 畫素工藝,影像品質好,雜訊小,一致性高,高幀率,低功耗,寬溫設計,並且極具性價比優勢,可以用在多種工業應用上。


它是一個系列化的家族產品X-CLASS平台,從200萬畫素到4500萬畫素,用兩套硬體電路板就可以相容總共11個解析度,其中200萬~1600萬畫素可以輕鬆放進29 mm*29 mm的相機平台,2000萬~4500萬畫素做到引腳相容(pin to pin),客戶設計一個硬體平台可以根據具體應用需求選擇相應的解析度感測器。攝影機製造商可充分利用現有的零件庫存並加快新攝影機設計的問市時間。


這一代產品將會顛覆目前市場競爭格局,為用戶提供了非常有吸引力的選擇。特別地,XGS 45000用於解析度要求高的、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、高解析度影像。


經濟型全域快門方案:AR0234


圖2 :  人臉辨識付款應用 AR0230 HDR
圖2 : 人臉辨識付款應用 AR0230 HDR

AR0234的200萬畫素解析度、120幀速率及光學尺寸適用於大部分傳統的工業檢測、自主行動機器人、工業掃碼、雙目深度測量等。安森美半導體還使用AR0234搭配系統單晶片(SOC) 影像訊號處理器AP1302做了相應的方案,幫助客戶加快開發。


人臉辨識付款應用: 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是一個200萬畫素、晶片內建寬動態合成功能的影像感測器。寬動態對無接觸系統非常重要,而AR0230能提供很好的影像品質,支援從黑暗的夜晚到明亮的陽光等各種照明條件,進而提高人工智慧的判斷精度。


背照式滾動式快門:AR0521

AR0521能以60 fps 捕獲 500萬畫素影像,且安森美半導體還提供近紅外增強的版本。500萬畫素的解析度適用於安防、工業、監控以及邊緣AI等各種應用。例如安森美半導體在Vision China 2021展出的使用AR0521的熱能儀參考設計,用於非接觸式辨別攝影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。


簡化系統設計的平台:DevSuite


圖3 : DevSuite
圖3 : DevSuite

為易於客戶評估,安森美半導體提供一個基於PC的評估系統DevSuite。設計人員可將DevWare軟體加載到個人電腦上,通過一個標準的USB介面連接到所選用的感測器硬體上。通過這一平台,只需要更換感測器主板的硬體來評估感測器的性能。


影像感測器在工業中的應用案例

1.XGS系列用於智慧交通系統、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整合到其新的4500萬畫素工業相機中。SP-45000M-CXP4提供4470萬畫素黑白解析度,每秒52幀,並支持全8 K解析度,每秒超過60幀。


全球工業和零售應用、醫療設備和交通系統數位相機製造商巴斯勒(Basler)也把XGS感測器整合到他們基於CoaXPress 2.0機器視覺標準的boost平台中,稱XGS系列特別適合於新設計以及現有高解析度視覺系統中從CCD到CMOS的過渡。


全球數位成像技術企業之一Teledyne Imaging也看重XGS感測器技術的性能、更高的解析度和品質,在其GenieTM Nano-5G M/C8100區域掃描相機中,採用了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,由基於影像感測器的攝影機賦能。毅力號共有23架攝影機,有6架採用了安森美半導體的影像感測器,包括130萬畫素、1/2 英寸 CMOS影像感測器Python 1300和500萬畫素、1英寸影像感測器Python 5000。


總結

未來的影像感測器依然會追求高解析度,高畫質,高性價比。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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