機器視覺廣泛應用于工業領域，涵蓋眾多應用場景。在制造業中，利用機器視覺執行的任務有：對子組件進行最終檢查，查驗零件有無潛在制造缺陷等等。在自動化領域，機器視覺在引導機器人方面發揮著重要作用。此外，它還用于驗證數據矩陣碼、檢查食品包裝和讀取條形碼。機器視覺系統方案指南將全面介紹機器視覺系統方案及市場趨勢，本文為第二部分，將重點介紹系統描述、方案概述、系統實現。

系統描述

圖像傳感器

物理參數：

分辨率：每幀或每幅圖像的信息量等于水平像素數乘以垂直像素數。對于機器視覺應用而言，并不需要像消費級相機那樣的極高分辨率，因為過高的分辨率會增加對傳感器和圖像處理器帶寬的需求，從而導致系統成本的無謂增加。用戶應當根據掃描對象的特性及對象上的光照量來選擇合適的分辨率。

光學格式：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。

長寬比：根據目標視場的布局選擇最適宜的長寬比（如1:1、3:2等），避免購買超過實際應用所需的分辨率。

幀率：當目標快速移動時，需要足夠的每秒幀數來捕捉并“凍結”運動，同時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題的最低需求即可。

動態范圍(DR)：由滿阱容量和讀取噪聲等因素決定的動態范圍，表示的是最大信號與最小信號之間的比率。動態范圍越大，傳感器越能精確捕捉應用場景中從明亮到陰暗的細節變化。

競爭優勢

安森美的圖像傳感器在惡劣光照條件下的動態范圍表現優異，這得益于其全像素架構設計，使得傳感器在各種光照條件下，包括低光環境，都能保留更豐富的細節。其可擴展的產品系列有助于降低系統開發的成本和時間。

圖像傳感器

光學參數：一些看似需要彩色的應用實際上可以通過單色方案以更簡單、更經濟的方式解決。無論何種情況，基于硅的每個像素都會將光（光子）轉化為電荷（電子）。每個像素阱所能處理的最大電荷量有限，一旦超過就會發生飽和。每次曝光后，每個像素中的電荷程度與照射到該像素的光量相關。

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。

輸出模式：在全分辨率下，每個傳感器通常都有一個“標準”預期輸出，但許多傳感器還提供額外的可切換輸出模式，如感興趣區域 (ROI)、像素合并或抽取。此類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于兩個或更多用途。顯微鏡應用就是像素合并的一個例子，它使用高速的像素合并圖像來定位大視野中的目標斑點，然后切換到全分辨率以獲得高質量的細節圖像。

圖像傳感器特性 - 全局快門 vs 卷簾快門

光學傳感器可用于深度感知、環境中的定向和交互。它是唯一能夠檢測顏色的傳感器方案。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。

全局快門效率 (GSE)

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。

最大限度地減少運動偽影：這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。

優勢：

每個 ROI 都有統計引擎

控制和適應動態照明條件

精準照明和 ISP 同步

成像系統易于開發，縮短產品上市時間

方案概述

深度感知 – 激光雷達

激光雷達（光檢測和測距）在許多機器視覺方案中發揮著至關重要的作用，與傳統攝像頭相比具有明顯的優勢。它可用于單點、2D 或 3D 監測。激光雷達使用激光器，激光器發射短脈沖。短脈沖經物體反射，返回到光電探測器，基于傳輸時間來測量距離。重復此過程即可獲得周圍區域的準確表示。激光雷達使用紅外光發射器，因此可以在所有光照條件下使用。

3D 繪圖：激光雷達傳感器發射激光脈沖并測量脈沖反射回來所需的時間，從而能夠創建高度精確的環境 3D 地圖。

穩健運行：激光雷達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揮作用。

高精度：激光雷達測量精度非常高，尤其是對于較遠距離的測量，超出了大多數攝像頭的能力。

快速輸出：快速輸出是安森美 SiPM 傳感器的一大特性，它能實現短脈沖寬度和極快的信號上升時間。它可用于超快速計時和提高計數速度。

圖 4：安森美 SiPM 的快速輸出模式

ArrayRDM-0112A20

12 SiPM 像素陣列，共陽極

無快速輸出

微單元有效面積：20x20 μmPDE @ 905nm 16%

微透鏡技術可實現最大光學效率

建議 Vop 30V

MicroFC-100

1x1 mm SiPM，適用于單點或 2D 激光雷達

標準和快速輸出

可見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 - 工業激光雷達

激光器通常是脈沖式，因此電源需要具有快速響應和良好的瞬態恢復能力。

SiPM/SPAD 傳感器在蓋革模式下運行，具有更高的靈敏度和增益。需要一個升壓轉換器來將器件偏置到 25V 至 30V。SiPM 可以正偏或負偏，更多細節請參閱安森美 SiPM 傳感器的偏置和讀取。

發射器和接收器具有光學接口或機械接口，用于引導/掃描視場 (FOV) 范圍內的能量。

來自傳感器的信號需要放大和辨別（比較器）。

圖 ：采用安森美器件的工業激光雷達框圖

系統實現

自主傳感器模式 - 深度感知比較表

在工業機器視覺中，傳感器的選擇合適與否取決于具體任務。

圖像傳感器具有高角度分辨率和物體邊緣檢測能力，在詳細視覺分析方面表現出色，但在深度感知方面和低光環境下表現較差。

激光雷達在 3D 應用中大放異彩，具有出色的深度分辨率和范圍，但缺乏顏色識別和速度檢測能力。

超聲波傳感器具有優異的低光性能和近距離深度準確性，但角度分辨率和物體細節檢測能力有限。

歸根結底，應結合應用的需求與技術的優缺點來選擇最合適的傳感器。對于精細物體檢測，圖像傳感器優勢顯著。對于精確的 3D 掃描/導航，激光雷達優勢明顯。為了在低光條件下實現高效簡便的障礙物檢測，超聲波傳感器是合適的選擇。

表 1.不同機器視覺感知方案的比較

方案概述

機器視覺 – 框圖

下面的框圖代表了安森美推薦的機器視覺方案。

大多數功能塊器件可從安森美購得，如下面的器件表所示。

方案概述-產品優勢

數據采集系統 – 圖像傳感器

PYTHON 系列

PYTHON 系列全局快門圖像傳感器是針對典型機器視覺應用（包括檢查、跟蹤、測量等）進行優化的產品線。該系列提供基于 4.5um 或 4.8um 像素的 8 種分辨率，從 VGA 開始，最高 2500 萬像素。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域的垂直和水平尺寸。PYTHON 有黑白、彩色和近紅外增強三種版本，同時針對選定的分辨率提供多種速度和質量等級選項。

快速、多功能的全局快門圖像傳感器系列

關鍵特性

8 種分辨率，覆蓋廣泛的應用

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，幀率也會增加）

先進的全局快門 CMOS 設計

多種分辨率和速度等級，提供經濟有效的成像方案

方形和矩形長寬比，充分利用可用視場 (FOV)

高性能，低噪聲，約 60 dB 動態范圍

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、機器視覺、條形碼掃描和設備檢查。它有許多非常適合這些應用的特性，包括：最大限度減少運動偽影的全局快門傳感器、可編程的感興趣區域 (ROI)、適應動態照明的自動曝光和控制、用于精確主動照明的觸發和頻閃控制，以及適用于電池供電設備的低功耗運行。今年將會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備的一系列小型器件

ARX383 - VGA，1/8 英寸，120 fps

特性和優勢

支持運動場景的高全局快門效率

內置自動曝光功能，用于應對不同的照明條件

小尺寸

可編程的感興趣區域

觸發模式和頻閃控制

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 萬至 4500 萬像素不等，適用于廣泛的應用。傳感器還采用全局快門設計，這意味著所有像素同時捕獲光線，從而減少失真和卷簾快門效應。此外，傳感器還有黑白和彩色兩種選擇。

關鍵特性：

出色的圖像質量，原始圖像無偽影/圖案干擾

優異的電源效率（功耗比競爭產品低 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 16MP (1:1)

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

XGS 開發支持工具

XGS X-Celerator

連接標準 FPGA 評估環境的接口

兼容 ANSI/VITA 57.1 FMC 標準

簡化攝像頭設計并縮短產品上市時間 (TTM)

提供相關的全套資料：X-Celerator

可用于 XGS 5000/12000/16000/45000

XGS X-Cube

XGS 傳感器板（彩色或黑白），用于轉換為 MIPI 輸出的 FPGA 板

用于 Demo 3 / DevWare 接口的 IAS 模塊柔性線纜

簡化攝像頭設計并縮短產品上市時間 (TTM)

可用于 XGS 5000/12000