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利用低帶寬（kuān）高動態範圍 (eHDR) 技術，提高工業自動化係統的精度

2023-6-27 來源：- 作者：-

為了提高效率和性能，工業自動化越來越受（shòu）歡（huān）迎（yíng）。在（zài）自主移動機器人 (AMR)、倉庫機器（qì）人、無人機、農業、工廠（chǎng）檢查和安（ān）防/監控等應用場景，會實施基於機器視（shì）覺的人工智能 (AI) 與（yǔ）先進技（jì）術來執行關鍵功能（néng）。要想提高現有的（de）對（duì）象（xiàng）檢測和識別能力，需要解決（jué）在不利光照條件下，對運（yùn）動中的（de）對象和更遠（yuǎn）距離的（de）精細細節捕獲圖像的難題。安森美(onsemi) 新推出的 AR0822 傳感（gǎn）器具備嵌入式（shì）高動（dòng）態範（fàn）圍 (eHDR) 功能，可解決工程（chéng）師在開發自主機器視覺係統時麵臨的複（fù）雜設計挑戰。

高（gāo）動態範圍在工業自（zì）動化中的重要性

許多工業應用的工作場（chǎng）景中，光線刺眼（yǎn），且明亮區域和黑暗區域同時存在。例（lì）如，室外（wài） AMR 必須（xū）在同時存在陽光和（hé）黑暗區域的場景中（zhōng）精確運行；監控係統（tǒng）警報是（shì）否觸發，取決於（yú）能否辨別未（wèi）授權人（rén）員從黑暗區域移動到明亮區域。雖然工（gōng）廠（chǎng）工程師會控製照明以便在（zài）需要捕捉畫麵細（xì）節的地方達（dá）到（dào）理想亮（liàng）度水平，但有些倉庫可（kě）能無法控製照明，或者可能需要花費（fèi）高昂的成本（běn）進行重（chóng）建。此外，工業（yè）機器人應該能夠延伸到多個位置進行操（cāo）作，而這可能會出現不確定的光照條件。例如，運輸包裹的無人機在夜間或高強度陽光下，可能就會遇到（dào）這（zhè）種情況。這幾個例子說明這些自主係統必須在高動態範圍場景（jǐng）下運行（háng）。

多次曝光 = 更高的動態（tài）範（fàn）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（wéi）分貝 (dB)。一般而言，120 dB 的動（dòng）態範圍可捕獲除極端場景以外的所有場景中的細節（汽車（chē）應用需要（yào）更高的動態範圍，尤其是在乘客（kè）安全方麵）。在這類包含黑暗和（hé）明亮（liàng）區域的場景中，如果使用單次長曝光，可（kě）能會導致明亮區域過飽和；而單（dān）次短（duǎn）曝光（guāng）可能無法捕獲（huò）到（dào）暗處（chù）的細節。

圖 1. 圖像顯示，曝光時間較短（duǎn）可捕獲明亮區域的細（xì）節，但會丟失黑（hēi）暗區域的細節（jiē）

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（diū）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（hòu），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（tú） 3：圖（tú） 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（tí）高辨認和識（shí）別（bié）性能。

高分辨率挑戰

如果識別距離更遠（yuǎn），圖像細節更多，則需要更高的分（fèn）辨率。與對象相距 5 至 10 米遠時，1080p 不足（zú）以提供對象檢測（cè）和分類所需的細節。因此，對 4K、甚至更高分辨（biàn）率傳（chuán）感器的需求不斷增加。對於這些尺寸的圖像，帶（dài）寬成為一大設（shè）計挑戰，因為每張圖像的尺寸顯著增加。此外，如（rú）果（guǒ）要（yào）實現 120 dB HDR，傳感器需要三次曝光（guāng）和 3 倍的有效幀率（lǜ），因為傳感器會為每幀拍攝三（sān）張不同的圖像。例如，對於三次（cì）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（lù）和輸出需要在 90 fps 幀率有效工作。幀率為（wéi） 30 fps 的三次曝光 HDR 4K 圖（tú）像如果在獨立於傳（chuán）感器的 ISP 中執行線性（xìng）化，需要 9000 Mbps，這對處理性能和接口速度是一大挑（tiāo）戰（zhàn）。對（duì）於攝像頭係統，將高分辨率與傳感器外 HDR 相結（jié）合（hé）是一項艱巨的挑戰。

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

為了緩解這兩個問題，安森美AR0822 通過將實時線性化集成到傳感器中，智能地嵌入高動態範（fàn）圍。如此一來，即（jí）便是在更高分辨率時，傳統的處（chù）理性能和接口速度也更容易滿足（zú）需求。

圖（tú） 5. AR0822 嵌入式高動態範圍 (eHDR) 圖像傳感器

運（yùn）動和 LED 照明偽影

由於三次（cì）曝光是（shì）在不同（tóng）的時間點進行，所以 HDR 圖像中會出現（xiàn）偽影。每次曝光時（shí），快速（sù）移（yí）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（yùn）動偽影

此外，帶有 LED 照明的場景可能會出現其他偽影。為節（jiē）省用（yòng）電，LED 以攝像頭而非人眼能夠看（kàn）到的頻率打開和關閉。LED 可能會在第（dì）一次曝光時打開，在第二次和第（dì）三次曝光時關閉，從而導致（zhì）多次曝光和多張（zhāng）圖像中的光照（zhào）水平不同。

圖 7. LED 燈箱，其中兩列亮起，LED 閃爍（shuò）偽影（yǐng）造成強度差（chà）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（de）偽影。通過感測一個幀內由不同曝光（guāng）捕獲的信號（hào）電平差異，從而試（shì）圖減少（shǎo）通常因運動或 LED 閃爍造成的偽影，就有可能（néng）實現上述目的。

圖 8和圖（tú）9. 得益於 AR0822 的智能線（xiàn）性（xìng）化，風扇沒有運（yùn）動偽（wěi）影且 LED 燈箱的兩（liǎng）列完全亮起

通過在充滿挑戰（zhàn）的光（guāng）照條件下提（tí）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（yòng）中所需的目標分辨率，eHDR 可增強對象檢測與識別（bié）。

下載我們的白皮（pí）書，詳細了解 AR0822，以及在嵌入式自主機器視覺應（yīng）用中實施（shī）更高（gāo）動態範（fàn）圍的圖像傳感器時，使（shǐ）用 eHDR 如何能夠增加動態範圍並克服其他挑戰。

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