以高性能圖像傳感器加速機器視覺應用落地
2024-07-24 09:09:41 EETOP根據 Expert Market Research 的報告，2023 年全球機器視覺市場規模達到了約 108.8 億美元。預計 2024 年至 2032 年期間，該市場將以 7.90% 的復合年增長率 (CAGR) 增長，到 2032 年將達到近 215.1 億美元的規模。工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT) 等先進創新技術的采用和實施，是推動機器視覺市場增長的主要動力之一。
為了能推進實時決策、提高生產效率和自動化水平，各行各業都越來越關注裝備計算機視覺設備、嵌入式軟件、先進傳感器和機器人的智能工廠，從而提振了機器視覺市場。在工業領域，機器視覺用于電子元件分析、特征識別、物體和圖案識別及材料檢驗，可以幫助不同過程實現自動化，通過圖像處理發現故障。由于機器視覺能夠減少人工操作并提高產品制造的精度，因此備受歡迎。
圖像傳感器的關鍵性能包括分辨率、靈敏度、動態范圍、幀率和噪聲水平。分辨率決定圖像的細節和清晰度，高分辨率傳感器適用于需要精細檢測的應用，如醫療成像和質量控制。靈敏度影響在低光環境下的表現，高靈敏度傳感器適合夜視和安防監控。動態范圍決定傳感器在高對比度場景中的表現，廣泛應用于交通監控和高動態范圍成像。幀率影響實時性，高幀率傳感器適用于運動檢測和自動駕駛。噪聲水平則影響圖像質量，低噪聲傳感器在精密測量和科學研究中至關重要。綜合這些性能，圖像傳感器的選擇直接決定了應用的效果和可靠性，可以從這些維度去評估圖像傳感器的性能：
分辨率：每幀或每幅圖像的信息量是水平像素數 x 與垂直像素數 y 的乘積。與消費級相機不同，機器視覺應用不需要極高的分辨率。分辨率過高會造成需要更多的傳感器和更大的圖像處理器帶寬，進而導致系統成本無謂地增加。用戶必須根據要掃描的相關物體和物體上提供的光量選擇分辨率。
光學格式：將鏡頭聚焦光線的投影與傳感器的像素陣列相匹配，以覆蓋傳感器（并充分利用分辨率）。
長寬比：無論是 1:1、3:2 還是其他比例，最佳排列都應與目標視野的布局相對應，以免分辨率超出應用需求而造成浪費。
幀率：如果目標正在快速移動，那么每秒需要拍攝足夠多的圖像來“凍結”運動，并與所要成像的物理空間保持一致。但與分辨率一樣，拍攝速度只需要能夠解決對應的問題就夠了。
動態范圍 (DR)：最大阱容和讀取噪聲等因素決定了動態范圍，即最大信號與最小信號之比。動態范圍越大，傳感器就越能更好地捕捉應用場景中從亮到暗的漸變細節。
卷簾快門與全局快門：當前大多數傳感器都支持全局快門，即所有像素行同時曝光，從而消除運動引起的模糊。但是，實現全局快門所需的傳感器上電子器件會增加一定的成本，因此對于某些應用來說，使用卷簾快門傳感器仍然是有意義的。
像素大小：物理像素越大，所能接納的光子就越多。一般來說，傾向于使用大像素。但這樣一來，就需要耗費更多的硅面積來支持所需的 x x y （x by y）陣列以實現相應的分辨率，并且需要更大的光學系統，進而導致物料單成本上升。另一方面，非常小的像素需要復雜的光路設計才能實現良好的光學分辨率。
光學傳感器可用于深度感知、環境中的定向和交互,是唯一能夠檢測顏色的傳感器方案。值得一提的是，采用全局快門的圖像傳感器同時存儲整個圖像中的像素數據，而沒有運動偽影，因此非常適合用在四處移動時。卷簾快門傳感器具有更高的動態范圍，因此可以在較差的照明條件下更好地工作。全局快門在捕捉運動場景方面具有優勢，并且能為開發者和制造商帶來其他好處。而最大限度地減少運動偽影是全局快門的一個主要優勢。全局快門傳感器一次可以捕獲整個圖像，因此避免了卷簾快門圖像中可能出現的失真和偽影，尤其是在捕捉快速移動的物體時。
