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专家支招:如何解决在工业应用中实施视觉系统的挑战?

发布时间:2021-10-16 来源:Danny Scheffer 责任编辑:wenwei

【导读】在工业应用中,包括工厂、交通系统、科学/医疗、零售、监控和机器人,图像传感器的使用正在显著增长,因为各公司寻求在其流程中引入更强大的控制,以提高质量和控制成本。

 

在工厂里,图像传感器为机器人提供视觉,正在改善过程中和生产线末端的检查,及改善工人的安全。在科学和医疗领域,图像传感器是数字放射显影和分布式诊断的一个基本要素,用于X射线晶体学、DNA剖析、天文摄影等等。

 

在我们现代生活的许多方面,安全是个长期关注的问题。 具有更高分辨率和图像质量的图像传感器正用于无人机/UAV 以实现边境安全。 随着图像传感器被用于监控十字路口和检测道路交通违规行为,以及通过自动车牌识别 (ANPR) 识别车辆,我们的道路变得越来越安全。 

 

专家支招:如何解决在工业应用中实施视觉系统的挑战?

图1:图像传感器广泛用于各种工业应用

 

随着用户需求的增加,这些图像传感器的功率和质量也在迅速提高,以增强现有应用的性能并赋能这些设备新的应用。

 

关键的技术推动因素

 

图像传感的许多技术进步正在推动这些性能的提高。 背照式 (BSI) 通过翻转硅晶片、移动布线前的光电阴极层来重新排列传感器的关键成像元件,从而显著提高对图像传感器至关重要的微光性能。

 

定义视频源质量的一个关键参数是传感器可提供的每秒帧数 (fps)。 将此与提高的分辨率结合意味着每帧中包含更多像素数据,这需要显著提高传感器架构的速度,以提供无“抖动”的流畅视频输入。

 

许多现代相机已经摒弃了机械快门,因为它们可能大而重,而且在长期使用后容易发生故障。现代相机越来越多地使用电子快门,所有的像素都被同时捕获,这种技术被称为 “全局快门”。

 

由于传感器越来越多地被用于含运动因素的应用中(要么传感器在移动的车辆上,要么要拍摄的场景包含移动的物品),因此需要采用快速全局快门的现代传感器来避免与 “卷帘快门”技术相关的图像 “拖尾”和其他不良的伪影。

 

工业视觉系统设计人员面临的挑战

 

在为现代应用设计相机时,需要考虑许多因素,其中许多与图像传感器的选择有关——这是决定设计成败的关键决定。

 

几乎所有的应用都需要高分辨率的图像传感器,比如在医疗应用中,相机要检测疾病的早期迹象,或在工厂检查应用中,必须发现最小的缺陷。然而,随着分辨率的提高,设计的其他部分也会受到影响,需要更大的数据传输带宽、更高的处理能力和更大的存储容量。

 

因此,指定的传感器必须足以完成任务,但不能过度指定,因为这将使设计的几乎所有方面的成本增加。

 

随着图像传感器被无人机/UAV和自动导引车 (AGV) 等总是由电池供电的移动应用采用,摄像头方案(包括图像传感器)的功耗现在是个重要的考虑因素。 虽然图像传感器是个重要的功能,但它消耗的电流会耗尽电池电量,缩短车辆在两次充电之间的间隔时间。

 

在许多情况下,摄像机执行多种任务,需要不同的分辨率,如低分辨率的摄像机用于简单的检测,而高分辨率的摄像机则用于需要检测细节的地方。

 

然而,由于需要使用不同的传感器实现不同的分辨率,在许多情况下,每个传感器都需要不同的设计,因而大大增加了设计任务(和时间)。即使设计完成了,由于每一个都是不同的,那么利用规模经济的能力就会大大减弱。

 

许多公司首次采用图像传感器来为其产品增加有价值的功能,学习曲线可能非常陡峭。一些制造商提供全面的工具,以减少设计风险并指导设计人员完成设计过程。

 

在许多情况下,这些工具对经验丰富的设计人员也很有价值,他们需要在更快的时间范围内进行概念验证,然后无缝开发批量生产版本。

 

家族式系列方案辅以设计支援

 

安森美(onsemi)的XGS图像传感器系列采用家族式系列方案,共7款器件,分辨率从230万像素到1600万像素,采用与行业标准的29 mm x 29 mm布板兼容的通用占位。同样,涵盖2000万像素到4500万像素范围的4款器件也享有通用的占位。

 

这种方法给设计人员带来的巨大好处是他们可把已知性能的单一的相机硬件设计用于每个分辨率,且IP如固件可在整个系列的相机中重复使用。这极大地减少了设计时间和风险,并允许在制造中实现规模经济。

 

专家支招:如何解决在工业应用中实施视觉系统的挑战?

图2:XGS系列提供卓越的性能和极大的设计支援

 

在每个图像传感器中,即使是在微光条件下,先进的3.2 mm像素设计也提供出色的图像质量和低噪声水平。快速的全局快门能捕获高质量的图像,而不会出现卷帘快门技术相关的伪影。有各种速度等级可供选择,有效地利用了可用的接口带宽,从而使设计人员能够管理系统成本。尽管性能很高,但分辨率高达4500万像素的XGS器件即使在全速运行时,其功耗也低于1000 mW。

 

 

专家支招:如何解决在工业应用中实施视觉系统的挑战?

图3:XGS系列CMOS图像传感器,分辨率高达4500万像素

 

●     为了进一步支持设计工作,有三种不同的评估系统可供选择。

●     演示套件包括一个带有 DevSuite 软件的硬件平台,支持完整的传感器评估和访问所有寄存器。

●     X-celerator 平台包括公共 FPGA 代码,并直接与 Altera® 软件和赛灵思(Xilinx®) 开发环境接口。

●     X-Cube 平台是完整的参考设计,用于 29 mm x 29 mm 格式,它使用 Lattice FPGA 进行 HiSPi-to-MIPI 转换。X-Cube 还使用 DevSuite 软件进行图像捕获、处理和分析。

 

总结

 

图像传感在包括工业在内的许多应用领域迅速增长,因为它使系统能识别周围的世界并与之交互。 因此,为了提供最先进的解决方案,许多公司现在首次提供视觉功能。 这会给设计人员带来非常陡峭的学习曲线,尤其是当每个传感器分辨率都需要专门的设计时。

 

安森美的低功耗、低噪声 XGS 系列高性能图像传感器,具有通用的占位面积,并提供多个易于使用的开发平台,全面支援设计人员快速实现最先进的相机设计。

 

作者:安森美工业和商业方案分部产品线经理 Danny Scheffer

 

 

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