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安森美半導（dǎo）體的多功能感知方案賦能工（gōng）業成像應用

2021-4-1 來源：安森（sēn）美半導體作（zuò）者：-

工業自動化趨勢及人工智能(AI)的興（xìng）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（jiā）速了這些自動化、智能化趨勢。傳統的機器視覺行業也（yě）在悄悄變化，這些都離不開圖像傳感器這雙眼睛。安（ān）森（sēn）美半導體是智能感知的半（bàn）導體領袖，尤其在工（gōng）業機器（qì）視（shì）覺全球稱（chēng）冠，在邊緣AI市（shì）場也遙遙領先，擁有寬廣的成（chéng）像方案陣容及（jí）先進的成像技術，滿足不同應用需求。

工業成像應（yīng）用如何（hé）賦（fù）能快速、準（zhǔn）確的決策

有一（yī）些常見的工業應用需求，如（rú）測量物體的尺寸或確定液體的液位，定位（wèi）或引導時（shí）為機器人提供“眼睛”以確定在哪裏抓取物體，計數（shù）或檢驗時進行數量統計（jì）或判斷包（bāo）裝是否完整，解碼（mǎ）或（huò）識別時要能讀取條（tiáo）形碼或進行（háng）光學字符（fú）識別（bié），等等（děng）。設計人員需要根據應用需求（qiú）考（kǎo）慮和優（yōu）化不同的成像參數（shù）：分辨率直接與圖（tú）像傳感器（qì）上可用的像素數量有關，區分場景中的單個被測物特征（zhēng）。高圖（tú）像質量對於（yú）消除錯誤或不準確的結果至關重要。高幀率有利（lì）於（yú）捕捉高速運動的（de）物體和軌跡，並能（néng）及時解決問題（tí）。

此外（wài），整個係統的成本是將所有這些參數結合在一起（qǐ）的關鍵因素，也須加以考慮。如果僅通過增加像素來（lái）提高分辨率，就會產生更（gèng）大的圖像傳感器，成本更高，但也（yě）需要更昂貴的鏡頭。如果通過減少像素大小來提高分辨率，傳感器和鏡頭成本（běn）的增加可（kě）能會減少，但這也可能會影響圖像（xiàng）質量。如果分辨率和幀速率高於給定（dìng）應用所需要的，那麽（me）應用的數據帶寬需求（qiú）(和基礎設施成本)就會高於其他情況。

因此，關鍵是以（yǐ）智能方（fāng）式提高整體成像性能，以繼續滿足（zú）這些應（yīng）用日益增長的需求。

成像技術：高（gāo）速（sù）率，短曝光

工廠的視覺（jiào）檢測基本都是對應高速移動的物體，傳送（sòng）帶的速度特（tè）別快，那麽采用（yòng）高幀率、短曝光控製以防止運動（dòng）模糊，才能利用AI算法實（shí）現正確的智能判斷和快速決策。

成像技術（shù）：全局快門

因為卷簾快門（mén）內部沒有可（kě）以存儲電荷的存儲（chǔ）節點，每一行曝（pù）光結束需要把這一行（háng）的數據盡快讀出再開始下一行的曝光，那麽當（dāng）物體在快速運動，圖像整幀（zhēn）自上而下不同的時間曝光方式就會使圖像（xiàng）產生（shēng）空間上的（de）失真變形，而全局快門（mén）整幀完全同一時間曝光，捕獲（huò）的所有像素正確還原了運動物體（tǐ）的真實樣子，就不會產生扭曲。

全局快門圖像傳感器（qì）捕獲圖像並以逐（zhú）像素的方式將捕獲到的數據存儲在存儲節點上。在非常明亮（liàng）的光線條（tiáo）件下，保護存儲節點免受環境光（guāng）線破壞數據是至關重要的，同時數（shù）據還要保存在存儲節點上。衡量該節點的保護情況（kuàng）的一種方法稱為全局快門效率(GSE)。較差的GSE會導致圖像中的重影效應。這種重影效應會導（dǎo）致機器視覺算法的性能問題。安森美半導體的全局快門圖像傳感器提（tí）供業界最（zuì）佳的GSE。

成像技術：分辨率

平（píng）板檢測是整個工業（yè）機器視覺行業中，對圖像（xiàng）傳感器最有挑（tiāo）戰性的應用。它（tā）從1 K、2 K、4 K一直到8 K，像素在逐漸擴大。檢測（cè）大致分兩（liǎng）種：一種是暗檢測，上電前主要檢測一些指紋（wén）、劃痕（hén）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是有一個亮板在後麵（miàn）作為發光源（yuán），而OLED，特別是AMOLED，它的每個像素都是一個單獨發（fā）光源。像素和像素之間發（fā）光的強度和色彩的均勻度都要能夠很準確地偵測出來，這就對圖像傳感器的要求非常高。過去檢測LCD麵板上的1顆像素，對應需（xū）要9個像素（sù）（3×3），OLED則對應（yīng）可能需要16個像素（4×4），甚至25個（5×5）像素。所以（yǐ）對圖像傳感器的（de）分辨率要求越來越高，並（bìng）要求檢查相機提供非常高的圖像質量和高均（jun1）勻性——以確保相機中的質量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（yào）高分辨（biàn）率的圖像傳感（gǎn）器，以確認電路板組（zǔ）件(集成電路、電容、電阻（zǔ）等)已（yǐ）經正確地放置並焊接到位。檢查電路板的速度是分辨率和幀率的結合——圖像捕獲的尺寸越大，一次可以檢查的電（diàn）路板越多；圖像捕（bǔ）獲的速度越快，檢（jiǎn）測的（de）效率就越高（gāo）。

使用安森美半導體的XGS 45000可捕獲一個更大的圖像：(超（chāo）過8000像素寬)幾乎每秒1900像素的數（shù）據率、效率超（chāo）過之前使用方案的3倍。這種高分辨率和（hé）高速的結合使這種類型的檢測應用能夠更（gèng）快、更有效地（dì）執行，提高製造過（guò）程中的生產率（lǜ）。

又如廣（guǎng）播/監（jiān）控應用，結合了許多不同性能向量，需要高分辨率（lǜ）、高帶寬和高圖像質量，且對分辨率的需求在持續增長，從高清到4 k，再到8 k。安森美半導體的XGS 45000，實際有比8 K 更高的分辨率，可以以60 fps的速度提供（gòng）12 bit的數據輸出，清晰拍攝輕（qīng）微的動作。值得（dé）一提的是，東京奧林匹克的會場將會用到采用（yòng）XGS 45000的相（xiàng）機。

成像（xiàng）技術：圖（tú）像比例

並不是所有的應用都需要高分辨率（lǜ），一些機器視覺應用也有特定的分辨率需（xū）求（qiú）。與傳統的由顯示標準(16:9或4:3)驅動的（de）RGB觀看應用程（chéng）序不同，許（xǔ）多機器（qì）人和機（jī）器視覺（jiào）方案可通過使用（yòng）不同的分辨率進行優化。如安森美（měi）半導體的200萬像素AR0234在X方向給出了更（gèng）優的條形碼方（fāng）案的額（é）外像素。在XGS係列圖像傳感器中，800萬像素、900萬像素、1200萬像素分別提供了2：1、1：1、4：3的（de）圖像（xiàng）比例，XGS的3000萬像素（sù）、32000萬像素分別提供（gòng）了1：1和（hé）4：3的圖像比（bǐ）例，1：1可用在半導體檢測，而4：3可用在屏檢。

成像（xiàng）新需求：立體視（shì）覺

近兩年來很多（duō）應用增加了對（duì）深度信息的（de）需求，以前2D的成像信息開始往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（àn）。安森美半導體的PYTHON係列圖像傳感器產品常會用在這（zhè）些方（fāng）案（àn）裏。另外還有采用飛行時間(TOF)、Super Depth pixel 和（hé）雷達（dá）的3D方案。安（ān）森美（měi）半導體的直接飛行時間（jiān）(DTOF)激光雷達產品有單點的矽光電（diàn）倍（bèi）增管(SIPM)，在醫療、工業、汽車都有應用，還有1×12或（huò）1×16的陣列，下一代的激光雷達都會用到這樣的產品。最新開發出來的400×100 單光子雪崩二極管(SPAD)麵陣，已經不隻是點雲了，已經（jīng）和圖像傳感（gǎn）器差不多了，可以實現有深度信息的圖像。

麵介紹幾款安森美半導體的成像方案（àn）：

工業級全局快門方（fāng）案：XGS係列

XGS是安森美半導體最新一代的工業級全局快門圖像傳感器，用了最新的3.2 um 像素工藝，圖像質量好，噪聲小（xiǎo），一致性好（hǎo），高幀率（lǜ），低功耗（hào），寬工作溫度，並且極具性價比優勢，可以用在多種（zhǒng）工業應用上。它是一個係列化的家族產品X-CLASS平台，從200萬像素到（dào）4500萬像素，用兩（liǎng）套硬件電路板就可以（yǐ）兼容總共11個分辨率，其中200萬像素-1600萬像素可以輕鬆放（fàng）進29 mm*29 mm的相機平台，2000萬像素-4500萬像素做（zuò）到引（yǐn）腳兼容(pin to pin)，客戶設計一個硬件平台可以根據具體應用需求選擇相應（yīng）的分（fèn）辨率傳感器。攝像機（jī）製造商可充分利（lì）用現有的零件庫存（cún）並加快新（xīn）攝像（xiàng）機設計的麵市時間。這一代（dài）產品（pǐn）將會顛覆目前（qián）市場競爭格局，為用戶（hù）提供了非常（cháng）有吸引力的選擇。特別地（dì），XGS 45000用於分辨率要求高的、需要高速數（shù）據捕獲和（hé）傳輸的機器視覺和工業（yè）成像應用（yòng），XGS 12000則是具性價（jià）比的選擇（zé），能（néng）以90 fps捕獲清晰、高分辨率圖像。

圖1：XGS 45000

經濟型全局快門（mén）方案：AR0234

AR0234的200萬像素分辨率、120幀速率及光學尺寸適用於大部分傳統的工業檢測（cè）、自主移動機器（qì）人、工業掃碼、雙目深度測量等。安森美半導體還使用AR0234搭配係統單芯片（piàn）(SOC) 圖像信號處理器（qì）AP1302做了相應的方案，幫助客戶加快開發。

圖2：AR0234

人臉識（shí）別付款應用: AR0230 HDR

無（wú）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是業界（jiè）唯一一個200萬像素、芯片內帶寬動態（tài）合成功能的圖像傳感器（qì）。寬動態對無接觸係統非常重要。而AR0230能提供（gòng）很好的圖像質量（liàng），支持從黑暗的夜晚到明（míng）亮（liàng）的陽光等各種照（zhào）明（míng）條件，進而提高人工智能的判斷精（jīng）度。

背照式卷簾快門：AR0521

AR0521能以60 fps 捕獲 500萬像素圖像，且安森美半導體（tǐ）還提供近紅外增強的版本（běn）。500萬像素的分辨率（lǜ）適用於安防、工業、監控以及邊緣AI等各（gè）種應用。如安森美半導體在（zài）Vision China 2021展出（chū）的使用AR0521的（de）熱能儀（yí）參考設計，用（yòng）於非接觸式甄別攝（shè）像頭前（qián）經過的（de）人是否發熱，是否戴口罩，有助於（yú）排查疫情病例，減少病（bìng）毒傳播。

簡化係統設計的平台：DevSuite

為易於客戶評估，安（ān）森美半導體提供（gòng）一（yī）個基於PC的評估係統DevSuite。設計人員可將DevWare軟件加載到個人（rén）電腦上，通過一個標準的USB接口連接（jiē）到所選用的傳（chuán）感器硬件上。通過這一平台，隻需要更換（huàn）傳感器主板的硬件來評估傳感器的性（xìng）能（néng）。

圖3：DevSuite

圖像傳感器在工（gōng）業中的應用案例

1. XGS係列用於智（zhì）能交（jiāo）通係統、機器視覺和工業

JAI A/S是工業生產檢測相機方案的（de）領先供應商之一，已將XGS 45000集成到（dào）其新的4500萬像素工（gōng）業相機中。SP-45000M-CXP4提供4470萬（wàn）像素黑白分（fèn）辨率，每秒（miǎo）52幀，領先市（shì）場，並支（zhī）持（chí）全8 K分辨率，每（měi）秒（miǎo）超過60幀。

全（quán）球領先的工業（yè）和零售（shòu）應用、醫療設（shè）備和交通係統數碼（mǎ）相機製造（zào）商巴斯（sī）勒(Basler)也把（bǎ）XGS傳（chuán）感器集成到他們基於CoaXPress 2.0機器視覺標準的boost平台中，稱XGS係列特別適合於新設（shè）計以及現有高分辨率視覺係統中從CCD到CMOS的過渡。

數字成（chéng）像技術的全球領袖之一Teledyne Imaging也看重XGS傳感器技術的性（xìng）能、更高（gāo）的分辨（biàn）率和質量，在其GenieTM Nano-5G M/C8100區（qū）域掃描相機中采用了（le）XGS 45000、XGS 30000和XGS 20000。

2. 毅力號漫（màn）遊車在火星著陸

毅力號是（shì）首個在降落過程中主動完成導（dǎo）航的任務，這是火星任（rèn）務技術的一項巨大進步，由基於圖像傳感器的攝像機賦能。毅力號共有23隻攝像機，有6隻采用了安森美半導體的圖像傳感器，包括130萬（wàn）像素、1/2 英寸 CMOS圖像傳感器Python 1300和（hé）500萬像素、1英寸圖（tú）像傳感器Python 5000。

總結

未來的圖（tú）像傳感器依然會追求高分辨率，高畫（huà）質，高性價比。作為機器視覺的領袖，安森美半導體將（jiāng）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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