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安森美機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)解決方案

安森美 ? 來(lái)源:安森美 ? 作者:安森美 ? 2024-11-14 09:53 ? 次閱讀
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機(jī)器視覺(jué)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,涵蓋眾多應(yīng)用場(chǎng)景。在制造業(yè)中,利用機(jī)器視覺(jué)執(zhí)行的任務(wù)有:對(duì)子組件進(jìn)行最終檢查,查驗(yàn)零件有無(wú)潛在制造缺陷等等。在自動(dòng)化領(lǐng)域,機(jī)器視覺(jué)在引導(dǎo)機(jī)器人方面發(fā)揮著重要作用。此外,它還用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)矩陣碼、檢查食品包裝和讀取條形碼。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)方案指南將全面介紹機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)方案及市場(chǎng)趨勢(shì),本文為第二部分,將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)描述、方案概述、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)描述

圖像傳感器

物理參數(shù):

分辨率:每幀或每幅圖像的信息量等于水平像素?cái)?shù)乘以垂直像素?cái)?shù)。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用而言,并不需要像消費(fèi)級(jí)相機(jī)那樣的極高分辨率,因?yàn)檫^(guò)高的分辨率會(huì)增加對(duì)傳感器和圖像處理器帶寬的需求,從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本的無(wú)謂增加。用戶應(yīng)當(dāng)根據(jù)掃描對(duì)象的特性及對(duì)象上的光照量來(lái)選擇合適的分辨率。

光學(xué)格式:確保鏡頭聚焦光線的投影與傳感器的像素陣列相匹配,以便完全覆蓋傳感器,充分利用其分辨率。

長(zhǎng)寬比:根據(jù)目標(biāo)視場(chǎng)的布局選擇最適宜的長(zhǎng)寬比(如1:1、3:2等),避免購(gòu)買(mǎi)超過(guò)實(shí)際應(yīng)用所需的分辨率。

幀率:當(dāng)目標(biāo)快速移動(dòng)時(shí),需要足夠的每秒幀數(shù)來(lái)捕捉并“凍結(jié)”運(yùn)動(dòng),同時(shí)跟上成像的物理空間。但如同分辨率一樣,幀率也只需滿足解決問(wèn)題的最低需求即可。

動(dòng)態(tài)范圍(DR):由滿阱容量和讀取噪聲等因素決定的動(dòng)態(tài)范圍,表示的是最大信號(hào)與最小信號(hào)之間的比率。動(dòng)態(tài)范圍越大,傳感器越能精確捕捉應(yīng)用場(chǎng)景中從明亮到陰暗的細(xì)節(jié)變化。

競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

安森美的圖像傳感器在惡劣光照條件下的動(dòng)態(tài)范圍表現(xiàn)優(yōu)異,這得益于其全像素架構(gòu)設(shè)計(jì),使得傳感器在各種光照條件下,包括低光環(huán)境,都能保留更豐富的細(xì)節(jié)。其可擴(kuò)展的產(chǎn)品系列有助于降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本和時(shí)間。

圖像傳感器

光學(xué)參數(shù):一些看似需要彩色的應(yīng)用實(shí)際上可以通過(guò)單色方案以更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)的方式解決。無(wú)論何種情況,基于硅的每個(gè)像素都會(huì)將光(光子)轉(zhuǎn)化為電荷(電子)。每個(gè)像素阱所能處理的最大電荷量有限,一旦超過(guò)就會(huì)發(fā)生飽和。每次曝光后,每個(gè)像素中的電荷程度與照射到該像素的光量相關(guān)。

卷簾快門(mén)與全局快門(mén):當(dāng)前大多數(shù)傳感器都支持全局快門(mén),即所有像素行同時(shí)曝光,從而消除運(yùn)動(dòng)引起的模糊。但是,實(shí)現(xiàn)全局快門(mén)所需的傳感器上電子器件會(huì)增加一定的成本,因此對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō),使用卷簾快門(mén)傳感器仍然是有意義的。

像素大?。何锢硐袼卦酱螅芙蛹{的光子就越多。一般來(lái)說(shuō),傾向于使用大像素。但這樣一來(lái),就需要耗費(fèi)更多的硅面積來(lái)支持所需的 x x y (x by y)陣列以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的分辨率,并且需要更大的光學(xué)系統(tǒng),進(jìn)而導(dǎo)致物料單成本上升。另一方面,非常小的像素需要復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)良好的光學(xué)分辨率。

輸出模式:在全分辨率下,每個(gè)傳感器通常都有一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”預(yù)期輸出,但許多傳感器還提供額外的可切換輸出模式,如感興趣區(qū)域 (ROI)、像素合并或抽取。此類(lèi)模式通常以更高的幀率讀取部分像素,使得同一傳感器和攝像頭可以服務(wù)于兩個(gè)或更多用途。顯微鏡應(yīng)用就是像素合并的一個(gè)例子,它使用高速的像素合并圖像來(lái)定位大視野中的目標(biāo)斑點(diǎn),然后切換到全分辨率以獲得高質(zhì)量的細(xì)節(jié)圖像。

圖像傳感器特性 - 全局快門(mén) vs 卷簾快門(mén)

光學(xué)傳感器可用于深度感知、環(huán)境中的定向和交互。它是唯一能夠檢測(cè)顏色的傳感器方案。采用全局快門(mén)的圖像傳感器同時(shí)存儲(chǔ)整個(gè)圖像中的像素?cái)?shù)據(jù),而沒(méi)有運(yùn)動(dòng)偽影,因此非常適合用在四處移動(dòng)時(shí)。卷簾快門(mén)傳感器具有更高的動(dòng)態(tài)范圍,因此可以在較差的照明條件下更好地工作。

全局快門(mén)效率 (GSE)

全局快門(mén)在捕捉運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景方面具有優(yōu)勢(shì),并且能為開(kāi)發(fā)者和制造商帶來(lái)其他好處。

最大限度地減少運(yùn)動(dòng)偽影:這是全局快門(mén)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。全局快門(mén)傳感器一次可以捕獲整個(gè)圖像,因此避免了卷簾快門(mén)圖像中可能出現(xiàn)的失真和偽影,尤其是在捕捉快速移動(dòng)的物體時(shí)。

優(yōu)勢(shì):

每個(gè) ROI 都有統(tǒng)計(jì)引擎

控制和適應(yīng)動(dòng)態(tài)照明條件

精準(zhǔn)照明和 ISP 同步

成像系統(tǒng)易于開(kāi)發(fā),縮短產(chǎn)品上市時(shí)間

方案概述

深度感知 – 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)(光檢測(cè)和測(cè)距)在許多機(jī)器視覺(jué)方案中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,與傳統(tǒng)攝像頭相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它可用于單點(diǎn)、2D 或 3D 監(jiān)測(cè)。激光雷達(dá)使用激光器,激光器發(fā)射短脈沖。短脈沖經(jīng)物體反射,返回到光電探測(cè)器,基于傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。重復(fù)此過(guò)程即可獲得周?chē)鷧^(qū)域的準(zhǔn)確表示。激光雷達(dá)使用紅外光發(fā)射器,因此可以在所有光照條件下使用。

3D 繪圖:激光雷達(dá)傳感器發(fā)射激光脈沖并測(cè)量脈沖反射回來(lái)所需的時(shí)間,從而能夠創(chuàng)建高度精確的環(huán)境 3D 地圖。

穩(wěn)健運(yùn)行:激光雷達(dá)在各種光照條件下都能有效工作,包括黑暗、煙霧和霧霾等,而攝像頭在這些條件下難以發(fā)揮作用。

高精度:激光雷達(dá)測(cè)量精度非常高,尤其是對(duì)于較遠(yuǎn)距離的測(cè)量,超出了大多數(shù)攝像頭的能力。

快速輸出:快速輸出是安森美 SiPM 傳感器的一大特性,它能實(shí)現(xiàn)短脈沖寬度和極快的信號(hào)上升時(shí)間。它可用于超快速計(jì)時(shí)和提高計(jì)數(shù)速度。

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圖 4:安森美 SiPM 的快速輸出模式

ArrayRDM-0112A20

12 SiPM 像素陣列,共陽(yáng)極

無(wú)快速輸出

微單元有效面積:20x20 μmPDE @ 905nm 16%

微透鏡技術(shù)可實(shí)現(xiàn)最大光學(xué)效率

建議 Vop 30V

MicroFC-100

1x1 mm SiPM,適用于單點(diǎn)或 2D 激光雷達(dá)

標(biāo)準(zhǔn)和快速輸出

可見(jiàn)光范圍中靈敏度最高

PDE @ 420nm >18% - 取決于微單元尺寸

建議 Vop < 30V?

微單元尺寸:10、20 或 35 μm

框圖 - 工業(yè)激光雷達(dá)

激光器通常是脈沖式,因此電源需要具有快速響應(yīng)和良好的瞬態(tài)恢復(fù)能力。

SiPM/SPAD 傳感器在蓋革模式下運(yùn)行,具有更高的靈敏度和增益。需要一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)將器件偏置到 25V 至 30V。SiPM 可以正偏或負(fù)偏,更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱安森美 SiPM 傳感器的偏置和讀取。

發(fā)射器和接收器具有光學(xué)接口機(jī)械接口,用于引導(dǎo)/掃描視場(chǎng) (FOV) 范圍內(nèi)的能量。

來(lái)自傳感器的信號(hào)需要放大和辨別(比較器)。

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圖 :采用安森美器件的工業(yè)激光雷達(dá)框圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

自主傳感器模式 - 深度感知比較表

在工業(yè)機(jī)器視覺(jué)中,傳感器的選擇合適與否取決于具體任務(wù)。

圖像傳感器具有高角度分辨率和物體邊緣檢測(cè)能力,在詳細(xì)視覺(jué)分析方面表現(xiàn)出色,但在深度感知方面和低光環(huán)境下表現(xiàn)較差。

激光雷達(dá)在 3D 應(yīng)用中大放異彩,具有出色的深度分辨率和范圍,但缺乏顏色識(shí)別和速度檢測(cè)能力。

超聲波傳感器具有優(yōu)異的低光性能和近距離深度準(zhǔn)確性,但角度分辨率和物體細(xì)節(jié)檢測(cè)能力有限。

歸根結(jié)底,應(yīng)結(jié)合應(yīng)用的需求與技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)選擇最合適的傳感器。對(duì)于精細(xì)物體檢測(cè),圖像傳感器優(yōu)勢(shì)顯著。對(duì)于精確的 3D 掃描/導(dǎo)航,激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)明顯。為了在低光條件下實(shí)現(xiàn)高效簡(jiǎn)便的障礙物檢測(cè),超聲波傳感器是合適的選擇。

表 1.不同機(jī)器視覺(jué)感知方案的比較

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方案概述

機(jī)器視覺(jué) – 框圖

下面的框圖代表了安森美推薦的機(jī)器視覺(jué)方案。

大多數(shù)功能塊器件可從安森美購(gòu)得,如下面的器件表所示。

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方案概述-產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) – 圖像傳感器

PYTHON 系列

PYTHON 系列全局快門(mén)圖像傳感器是針對(duì)典型機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用(包括檢查、跟蹤、測(cè)量等)進(jìn)行優(yōu)化的產(chǎn)品線。該系列提供基于 4.5um 或 4.8um 像素的 8 種分辨率,從 VGA 開(kāi)始,最高 2500 萬(wàn)像素。幀率為 >800fps 至 80 fps 不等,具體取決于分辨率。所有 PYTHON 器件都有獨(dú)特的“二次方增速”特性,即幀率的增加取決于所讀取的感興趣區(qū)域的垂直和水平尺寸。PYTHON 有黑白、彩色和近紅外增強(qiáng)三種版本,同時(shí)針對(duì)選定的分辨率提供多種速度和質(zhì)量等級(jí)選項(xiàng)。

快速、多功能的全局快門(mén)圖像傳感器系列

關(guān)鍵特性

8 種分辨率,覆蓋廣泛的應(yīng)用

在 ROI 讀取的情況下,所有 PYTHON 系列器件都有“二次方增速”特性(在窗口的 x 或 y 減小的情況下,幀率也會(huì)增加)

先進(jìn)的全局快門(mén) CMOS 設(shè)計(jì)

多種分辨率和速度等級(jí),提供經(jīng)濟(jì)有效的成像方案

方形和矩形長(zhǎng)寬比,充分利用可用視場(chǎng) (FOV)

高性能,低噪聲,約 60 dB 動(dòng)態(tài)范圍

Hyperlux SG 系列

Hyperlux SG 是一款多功能攝像頭,可用于多種用途,包括 AR/VR、機(jī)器視覺(jué)、條形碼掃描和設(shè)備檢查。它有許多非常適合這些應(yīng)用的特性,包括:最大限度減少運(yùn)動(dòng)偽影的全局快門(mén)傳感器、可編程的感興趣區(qū)域 (ROI)、適應(yīng)動(dòng)態(tài)照明的自動(dòng)曝光和控制、用于精確主動(dòng)照明的觸發(fā)和頻閃控制,以及適用于電池供電設(shè)備的低功耗運(yùn)行。今年將會(huì)推出更多具有出色特性的傳感器。

適用于便攜式和固定功能設(shè)備的一系列小型器件

ARX383 - VGA,1/8 英寸,120 fps

特性和優(yōu)勢(shì)

支持運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的高全局快門(mén)效率

內(nèi)置自動(dòng)曝光功能,用于應(yīng)對(duì)不同的照明條件

小尺寸

可編程的感興趣區(qū)域

觸發(fā)模式和頻閃控制

XGS 系列

安森美的圖像傳感器系列(也稱為 XGS)集高性能、緊湊像素和低功耗等特性于一體。它提供多種分辨率,從 230 萬(wàn)至 4500 萬(wàn)像素不等,適用于廣泛的應(yīng)用。傳感器還采用全局快門(mén)設(shè)計(jì),這意味著所有像素同時(shí)捕獲光線,從而減少失真和卷簾快門(mén)效應(yīng)。此外,傳感器還有黑白和彩色兩種選擇。

關(guān)鍵特性:

出色的圖像質(zhì)量,原始圖像無(wú)偽影/圖案干擾

優(yōu)異的電源效率(功耗比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低 2 倍)

高性能、低噪聲 3.2 μm 像素

極好的尺寸-分辨率組合

29 x 29 mm 攝像頭分辨率高達(dá) 16MP (1:1)

4k/8k 視頻 @ 120/60 fps(12 位)(XGS8000 / XGS45000)

XGS 開(kāi)發(fā)支持工具

XGS X-Celerator

連接標(biāo)準(zhǔn) FPGA 評(píng)估環(huán)境的接口

兼容 ANSI/VITA 57.1 FMC 標(biāo)準(zhǔn)

簡(jiǎn)化攝像頭設(shè)計(jì)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間 (TTM)

提供相關(guān)的全套資料:X-Celerator

可用于 XGS 5000/12000/16000/45000

XGS X-Cube

XGS 傳感器板(彩色或黑白),用于轉(zhuǎn)換為 MIPI 輸出的 FPGA 板

用于 Demo 3 / DevWare 接口的 IAS 模塊柔性線纜

簡(jiǎn)化攝像頭設(shè)計(jì)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間 (TTM)

可用于 XGS 5000/12000

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    機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)詳解

    機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)詳解說(shuō)明。
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    機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)概述

    機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)概述說(shuō)明。
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    機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的經(jīng)典應(yīng)用

    機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的經(jīng)典應(yīng)用。
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    機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)如何選擇圖像傳感器

    圖像傳感器是所有機(jī)器視覺(jué)(MV)系統(tǒng)的核心,這是負(fù)責(zé)將物理世界的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的基本元件,在確保機(jī)器視覺(jué)操作的準(zhǔn)確性、可靠性和高效率方面
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