相機(jī)傳感器在機(jī)器視覺領(lǐng)域的應(yīng)用
相機(jī)傳感器是光敏檢測(cè)器,可將入射光子轉(zhuǎn)換為可由數(shù)字設(shè)備讀取的電信號(hào)。大多數(shù)相機(jī)使用 2D 陣列檢測(cè)器,為給定應(yīng)用選擇正確的傳感器類型通常需要在成本、所需的最終圖像分辨率和必要的讀出速度之間進(jìn)行權(quán)衡。
最常見的相機(jī)傳感器類型是電荷耦合器件 (CCD) 或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 圖像傳感器。這是兩種不同的傳感器技術(shù),根據(jù)最終設(shè)備的可能運(yùn)行條件,它們具有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。
從歷史上看,CCD 傳感器一直是高分辨率和弱光應(yīng)用的首選傳感器。CCD 傳感器是一個(gè)像素陣列,由在受到光子撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子的材料制成。一系列電極收集并讀出產(chǎn)生的電荷,通常通過單個(gè)放大器。通過將電荷轉(zhuǎn)移到其他像素上來讀取每個(gè)像素。由于放大級(jí)的設(shè)計(jì),CCD 通常具有非常低的噪聲讀數(shù)。CCD 可以設(shè)計(jì)為在該檢測(cè)范圍的大部分范圍內(nèi)具有出色的動(dòng)態(tài)范圍和良好的線性度,這可以簡(jiǎn)化許多測(cè)量。由于每個(gè)像素都需要單獨(dú)讀取,因此對(duì)于使用這種架構(gòu)創(chuàng)建特別大的陣列檢測(cè)器來說,讀取時(shí)間可能會(huì)出現(xiàn)問題。
然而,近年來,CMOS 技術(shù)取得了許多進(jìn)步,特別是對(duì)于小尺寸、輕量級(jí)的“片上相機(jī)”應(yīng)用,CMOS 傳感器現(xiàn)在已成為最廣泛采用的技術(shù)。制造方面的改進(jìn)有助于降低噪聲水平,雖然很少有 CMOS 傳感器擁有與 CCD 傳感器相同的動(dòng)態(tài)范圍,但 CMOS 傳感器的功率效率和成本效益通??梢詮浹a(bǔ)這一點(diǎn)。
機(jī)器視覺
機(jī)器視覺是一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域,2021 年價(jià)值 32.3 億美元,預(yù)計(jì)同比增長(zhǎng) 7.7%。機(jī)器視覺涉及視覺信息的捕獲,可能使用相機(jī)傳感器,以及圖像識(shí)別的使用,因此計(jì)算機(jī)可以將這些視覺信息“解釋”為有用的數(shù)據(jù)。
機(jī)器視覺的成功和快速發(fā)展是因?yàn)樗谝幌盗袘?yīng)用中的實(shí)用性,包括工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人的創(chuàng)建,以及更普遍的“智能”系統(tǒng),其中設(shè)備可以響應(yīng)環(huán)境中的外部刺激。開發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是創(chuàng)建視覺捕獲系統(tǒng),該系統(tǒng)可以提供足夠高質(zhì)量的圖像,使自動(dòng)圖像識(shí)別算法能夠以高精度有意義地解釋數(shù)據(jù)。許多機(jī)器視覺應(yīng)用程序也適用于不一定連接到有線網(wǎng)絡(luò)或電源的自動(dòng)駕駛汽車或機(jī)器人,因此任何圖像處理都需要足夠輕巧,以便可以在足夠短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行機(jī)器以具有有意義的響應(yīng),無需巨大的能量或計(jì)算需求。
CMOS 相機(jī)傳感器
CMOS 傳感器已成為促進(jìn)許多機(jī)器視覺應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。許多自動(dòng)化任務(wù)需要 3D 對(duì)象識(shí)別,而不僅僅是 2D,因此通常必須使用多個(gè)攝像頭傳感器來提供不同的視點(diǎn)來識(shí)別所看到的完整 3D。CMOS 技術(shù)的成本效益特性使得更復(fù)雜的機(jī)器視覺應(yīng)用現(xiàn)在在經(jīng)濟(jì)上可行。 CMOS 傳感器量子效率的提高也有所幫助,因?yàn)閳D像需要更短的曝光時(shí)間,更具挑戰(zhàn)性的低光環(huán)境條件不再構(gòu)成不可能的挑戰(zhàn)。
相機(jī)傳感器的質(zhì)量是設(shè)備整體光學(xué)性能的關(guān)鍵,因此雖然可以使用聚焦光學(xué)器件和光圈來幫助創(chuàng)建更清晰的圖像,但芯片的質(zhì)量通常會(huì)決定最終分辨率。由于 CMOS 傳感器響應(yīng)速度快且讀出時(shí)間非常短,因此它們可用于快速捕捉一系列圖像以應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化的情況。雖然從數(shù)據(jù)處理的角度來看,如果需要將許多圖像作為序列的一部分進(jìn)行分析,這非常具有挑戰(zhàn)性,但就總信息內(nèi)容而言,此類圖像堆棧提供了大量潛在的分析材料??焖俨蹲綀D像還有助于規(guī)避運(yùn)動(dòng)模糊等問題。
機(jī)器視覺傳感器的發(fā)展
機(jī)器視覺正在成為 CMOS 傳感器的一個(gè)巨大應(yīng)用領(lǐng)域,盡管為應(yīng)用選擇正確類型的傳感器非常重要。 降低相機(jī)傳感器成本的一種方法是使用僅對(duì)單一顏色敏感的傳感器。然而,對(duì)于在圖像解釋步驟中經(jīng)常使用水果顏色作為有用信息的水果成熟度評(píng)估等應(yīng)用,單一顏色檢測(cè)器可能不適合。為圖像捕獲和可在可見光區(qū)域之外運(yùn)行的傳感器開發(fā)更快的幀速率是機(jī)器視覺相機(jī)傳感器開發(fā)的兩個(gè)主要領(lǐng)域。 更快的捕捉意味著更少的運(yùn)動(dòng)模糊問題。許多應(yīng)用也將受益于可以從紅外波長(zhǎng)獲得的光譜信息類型。