通用平台為機器視覺系統提供最佳化方案

本文作者:產品行銷經理Mic       點擊: 2019-01-08 13:50
前言:
 
採用機器視覺系統以提高品質和生產力對推動工業4.0和工業物聯網的發展至關重要。隨著時間的推移,對機器視覺系統的要求在不斷發展,對驅動它們的影像感測器的要求也隨之演進,最終使得為機器視覺應用而開發的影像感測器呈現廣泛多樣的特性和功能。雖然這多樣性可提供給終端客戶專為特定應用而設計的影像感測器,但卻給攝影機製造商帶來相當大的壓力,因為他們需要針對各種各樣的影像感測器開發和維護攝影機方案。如果管理不當,這種碎片化可能會消耗資源並推遲新攝影機的開發,這意味著終端客戶可能不能從最新的技術進步中獲益。這最終可能會影響推出新方案到工業領域,推遲機器視覺系統的開發及其所能帶來的好處。
 
機器視覺領域的多樣性
因為機器視覺系統的性能要切合其目標應用,所以直接產生了各種不同的成像方案需求,其中解析度、頻寬(bandwidth)、光靈敏度等參數的相對重要性可能因應用而異。
 
對於一種類型的自動檢測可能最重要的是影像解析度,而另一種可能需要高動態範圍-需要確保作出準確的衡量與決策。在照明不完全受控制的情況下,整體的光靈敏度可能是至關重要的,而其他應用可能需要特定光譜波段的靈敏度,例如近紅外或紫外線。在諸如裝配線(assembly line)技術等應用中,保持最小影格率(frame rate)至關重要,以確保機器視覺系統不成為整個製造流程的瓶頸。這些需求需要獨立評估,然後針對每個特定的最終應用進行最佳化(圖1)。

圖1:對應用需求和影像感測器的特性進行權衡
 
雖然很容易這麼想:使每一個參數都更好。但實際上,這些特性中有許多是相互關聯的。提高解析度會減慢影格率,除非對感測器進行額外的更改以增加頻寬,這就增加了所需的功率。此外,具有更多的成像性能並不總是有利於整個系統,因為不需要的解析度或影格率可能會阻塞網路資源。最後,需要一種平衡的方案來開發和最佳化成像系統。
此外,對機器視覺系統的要求在不斷變化,因此需要相應地推動更多技術的發展。為了捕獲高對比度的場景,需要低雜訊結構(Low noise architecture)來擴展線性動態範圍(linear dynamic range)。深度成像(Depth imaging)不僅是自動取放(pick-and-place automation)所需要的,也是在自動化物流系統中進行正確的定性(characterization)和體積測量所需要的。多光譜和高光譜成像實現一種新的自動化分揀水準。這每一新興技術都為這一市場開發攝影機增加更多的複雜性。
 
採用最好的方案
因機器視覺市場廣泛的性能需求,攝影機製造商面臨一個挑戰:如何開發一系列攝影機,同時儘量減少攝影機開發工作量和費用,以及儘量加快上市。一個明確的選擇是充分運用平台開發攝影機,使攝影機特性如輸出介面(GigE、Camera Link、、CoaXpress、USB等)模組化,以易於部署。但要真正發揮作用,這種平台設計需要擴展到影像感測器層面,使攝影機電子技術被充分運用,以支援透過解析度、頻寬、像素性能等選項實現不同的影像感測器。
 

圖2:用基於一個通用平台的影像感測器支援多種攝影機設計
 
圖2說明了這種整合的影像感測器設計在實踐中如何運用。安森美半導體的PYTHON系列影像感測器不需要針對每一影像感測器的單獨攝影機設計,能運用單一的攝影機設計來支援從VGA到2500萬像素的解析度,及納入更多的多光譜靈敏度(spectral sensitivity)和輸出頻寬配置選項。攝影機製造商採用這影像感測器系列設計,可以將攝影機開發成本降到最低,控制庫存,並加快上市時間。
 
新的X-Class平台擴展這一功能,不僅支援多解析度、光譜靈敏度和速度等級,而且還支援不同的像素功能,如全局(global Shutter)或捲簾式(Rolling Shutter)快門像素、擴展的動態範圍、低雜訊等。由於該平台的所有使用者享有通用的高頻寬、低功率影像感測器影格,所以攝影機製造商在此平台內設計,可輕易地充分運用他們的攝影機設計來支援涵蓋各種不同解析度、光譜靈敏度和像素功能的全系列攝影機。
例如,X-Class平台中的首兩款元件基於3.2 µm 全局快門 XGS像素。XGS 8000提供達130 fps的4k / 超高畫質(UHD)解析度(4096x2160像素),而1200萬像素(4096x3072像素) XGS 12000的影格率達90 fps。這兩款元件都採用緊湊的封裝,結合X-Class平台的低功耗,可以開發出29x29mm2的攝影機。攝影機製造商用這平台設計,不僅可以支援最初的設備,還能很快添加其他解析度,不僅基於3.2 µm XGS像素,還能添加新的像素到平台—簡化攝影機製造商的工作,以開發全系列先進的成像攝影機,不僅適用於機器視覺,而且適用於智慧交通系統(ITS)和廣播市場等應用。
 
多世代路線圖
為任何特定的應用選擇最合適的技術並不簡單,而且所選擇的實際上可能是錯誤的起點。當下更重要的也許是選擇一個能夠成長和發展的平台,支援一條對產品開發影響最小的持續改進之路。像X-Class平台這樣的影像感測器設計,整合其他解析度和像素特性,提供成長的靈活性,使攝影機製造商能夠持續帶來透過通用平台設計一代又一代攝影機的好處。
 
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