專家支招：如何解決在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)施視覺系統(tǒng)的挑戰(zhàn)？

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作者：安森美工業(yè)和商業(yè)方案分部產(chǎn)品線經(jīng)理 Danny Scheffer

在工業(yè)應(yīng)用中，包括工廠、交通系統(tǒng)、科學(xué)/醫(yī)療、零售、監(jiān)控和機(jī)器人，圖像傳感器的使用正在顯著增長，因?yàn)楦鞴緦で笤谄淞鞒讨幸敫鼜?qiáng)大的控制，以提高質(zhì)量和控制成本。

在工廠里，圖像傳感器為機(jī)器人提供視覺，正在改善過程中和生產(chǎn)線末端的檢查，及改善工人的安全。在科學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域，圖像傳感器是數(shù)字放射顯影和分布式診斷的一個(gè)基本要素，用于X射線晶體學(xué)、DNA剖析、天文攝影等等。

在我們現(xiàn)代生活的許多方面，安全是個(gè)長期關(guān)注的問題。?具有更高分辨率和圖像質(zhì)量的圖像傳感器正用于無人機(jī)/UAV 以實(shí)現(xiàn)邊境安全。?隨著圖像傳感器被用于監(jiān)控十字路口和檢測道路交通違規(guī)行為，以及通過自動(dòng)車牌識(shí)別?(ANPR) 識(shí)別車輛，我們的道路變得越來越安全。?

圖1：圖像傳感器廣泛用于各種工業(yè)應(yīng)用

隨著用戶需求的增加，這些圖像傳感器的功率和質(zhì)量也在迅速提高，以增強(qiáng)現(xiàn)有應(yīng)用的性能并賦能這些設(shè)備新的應(yīng)用。

關(guān)鍵的技術(shù)推動(dòng)因素

圖像傳感的許多技術(shù)進(jìn)步正在推動(dòng)這些性能的提高。?背照式?(BSI) 通過翻轉(zhuǎn)硅晶片、移動(dòng)布線前的光電陰極層來重新排列傳感器的關(guān)鍵成像元件，從而顯著提高對(duì)圖像傳感器至關(guān)重要的微光性能。

定義視頻源質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是傳感器可提供的每秒幀數(shù)?(fps)。?將此與提高的分辨率結(jié)合意味著每幀中包含更多像素?cái)?shù)據(jù)，這需要顯著提高傳感器架構(gòu)的速度，以提供無“抖動(dòng)”的流暢視頻輸入。

許多現(xiàn)代相機(jī)已經(jīng)摒棄了機(jī)械快門，因?yàn)樗鼈兛赡艽蠖?，而且在長期使用后容易發(fā)生故障?，F(xiàn)代相機(jī)越來越多地使用電子快門，所有的像素都被同時(shí)捕獲，這種技術(shù)被稱為 “全局快門”。

由于傳感器越來越多地被用于含運(yùn)動(dòng)因素的應(yīng)用中（要么傳感器在移動(dòng)的車輛上，要么要拍攝的場景包含移動(dòng)的物品），因此需要采用快速全局快門的現(xiàn)代傳感器來避免與 “卷簾快門”技術(shù)相關(guān)的圖像 “拖尾”和其他不良的偽影。

工業(yè)視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)

在為現(xiàn)代應(yīng)用設(shè)計(jì)相機(jī)時(shí)，需要考慮許多因素，其中許多與圖像傳感器的選擇有關(guān)——這是決定設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵決定。

幾乎所有的應(yīng)用都需要高分辨率的圖像傳感器，比如在醫(yī)療應(yīng)用中，相機(jī)要檢測疾病的早期跡象，或在工廠檢查應(yīng)用中，必須發(fā)現(xiàn)最小的缺陷。然而，隨著分辨率的提高，設(shè)計(jì)的其他部分也會(huì)受到影響，需要更大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、更高的處理能力和更大的存儲(chǔ)容量。

因此，指定的傳感器必須足以完成任務(wù)，但不能過度指定，因?yàn)檫@將使設(shè)計(jì)的幾乎所有方面的成本增加。

隨著圖像傳感器被無人機(jī)/UAV和自動(dòng)導(dǎo)引車?(AGV) 等總是由電池供電的移動(dòng)應(yīng)用采用，攝像頭方案（包括圖像傳感器）的功耗現(xiàn)在是個(gè)重要的考慮因素。?雖然圖像傳感器是個(gè)重要的功能，但它消耗的電流會(huì)耗盡電池電量，縮短車輛在兩次充電之間的間隔時(shí)間。

在許多情況下，攝像機(jī)執(zhí)行多種任務(wù)，需要不同的分辨率，如低分辨率的攝像機(jī)用于簡單的檢測，而高分辨率的攝像機(jī)則用于需要檢測細(xì)節(jié)的地方。

然而，由于需要使用不同的傳感器實(shí)現(xiàn)不同的分辨率，在許多情況下，每個(gè)傳感器都需要不同的設(shè)計(jì)，因而大大增加了設(shè)計(jì)任務(wù)（和時(shí)間）。即使設(shè)計(jì)完成了，由于每一個(gè)都是不同的，那么利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)的能力就會(huì)大大減弱。

許多公司首次采用圖像傳感器來為其產(chǎn)品增加有價(jià)值的功能，學(xué)習(xí)曲線可能非常陡峭。一些制造商提供全面的工具，以減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成設(shè)計(jì)過程。

在許多情況下，這些工具對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員也很有價(jià)值，他們需要在更快的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行概念驗(yàn)證，然后無縫開發(fā)批量生產(chǎn)版本。

家族式系列方案輔以設(shè)計(jì)支援

安森美（onsemi）的XGS圖像傳感器系列采用家族式系列方案，共7款器件，分辨率從230萬像素到1600萬像素，采用與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的29 mm x 29 mm布板兼容的通用占位。同樣，涵蓋2000萬像素到4500萬像素范圍的4款器件也享有通用的占位。

這種方法給設(shè)計(jì)人員帶來的巨大好處是

他們可把已知性能的單一的相機(jī)硬件設(shè)計(jì)用于每個(gè)分辨率，且IP如固件可在整個(gè)系列的相機(jī)中重復(fù)使用。這極大地減少了設(shè)計(jì)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)，并允許在制造中實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

圖2：XGS系列提供卓越的性能和極大的設(shè)計(jì)支援

在每個(gè)圖像傳感器中，即使是在微光條件下，先進(jìn)的3.2 mm像素設(shè)計(jì)也提供出色的圖像質(zhì)量和低噪聲水平?？焖俚娜挚扉T能捕獲高質(zhì)量的圖像，而不會(huì)出現(xiàn)卷簾快門技術(shù)相關(guān)的偽影。有各種速度等級(jí)可供選擇，有效地利用了可用的接口帶寬，從而使設(shè)計(jì)人員能夠管理系統(tǒng)成本。盡管性能很高，但分辨率高達(dá)4500萬像素的XGS器件即使在全速運(yùn)行時(shí)，其功耗也低于1000 mW。

圖3：XGS系列CMOS圖像傳感器，分辨率高達(dá)4500萬像素

為了進(jìn)一步支持設(shè)計(jì)工作，有三種不同的評(píng)估系統(tǒng)可供選擇。

演示套件包括一個(gè)帶有 DevSuite 軟件的硬件平臺(tái)，支持完整的傳感器評(píng)估和訪問所有寄存器。

?X-celerator 平臺(tái)包括公共 FPGA 代碼，并直接與 Altera? 軟件和賽靈思(Xilinx?) 開發(fā)環(huán)境接口。

X-Cube 平臺(tái)是完整的參考設(shè)計(jì)，用于 29 mm x 29 mm 格式，它使用 Lattice FPGA 進(jìn)行 HiSPi-to-MIPI 轉(zhuǎn)換。X-Cube 還使用 DevSuite 軟件進(jìn)行圖像捕獲、處理和分析。

總結(jié)

圖像傳感在包括工業(yè)在內(nèi)的許多應(yīng)用領(lǐng)域迅速增長，因?yàn)樗瓜到y(tǒng)能識(shí)別周圍的世界并與之交互。?因此，為了提供最先進(jìn)的解決方案，許多公司現(xiàn)在首次提供視覺功能。?這會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來非常陡峭的學(xué)習(xí)曲線，尤其是當(dāng)每個(gè)傳感器分辨率都需要專門的設(shè)計(jì)時(shí)。

安森美的低功耗、低噪聲 XGS 系列高性能圖像傳感器，具有通用的占位面積，并提供多個(gè)易于使用的開發(fā)平臺(tái)，全面支援設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的相機(jī)設(shè)計(jì)。