【導讀】為了提高效率和性能,工業(yè)自動(dòng)化越來(lái)越受歡迎。在自主移動(dòng)機器人 (AMR)、倉庫機器人、無(wú)人機、農業(yè)、工廠(chǎng)檢查和安防/監控等應用場(chǎng)景,會(huì )實(shí)施基于機器視覺(jué)的人工智能 (AI) 與先進(jìn)技術(shù)來(lái)執行關(guān)鍵功能。要想提高現有的對象檢測和識別能力,需要解決在不利光照條件下,對運動(dòng)中的對象和更遠距離的精細細節捕獲圖像的難題。安森美(onsemi) 新推出的AR0822傳感器具備嵌入式高動(dòng)態(tài)范圍 (eHDR) 功能,可解決工程師在開(kāi)發(fā)自主機器視覺(jué)系統時(shí)面臨的復雜設計挑戰。
高動(dòng)態(tài)范圍在工業(yè)自動(dòng)化中的重要性
許多工業(yè)應用的工作場(chǎng)景中,光線(xiàn)刺眼,且明亮區域和黑暗區域同時(shí)存在。例如,室外 AMR 必須在同時(shí)存在陽(yáng)光和黑暗區域的場(chǎng)景中精確運行;監控系統警報是否觸發(fā),取決于能否辨別未授權人員從黑暗區域移動(dòng)到明亮區域。雖然工廠(chǎng)工程師會(huì )控制照明以便在需要捕捉畫(huà)面細節的地方達到理想亮度水平,但有些倉庫可能無(wú)法控制照明,或者可能需要花費高昂的成本進(jìn)行重建。此外,工業(yè)機器人應該能夠延伸到多個(gè)位置進(jìn)行操作,而這可能會(huì )出現不確定的光照條件。例如,運輸包裹的無(wú)人機在夜間或高強度陽(yáng)光下,可能就會(huì )遇到這種情況。這幾個(gè)例子說(shuō)明這些自主系統必須在高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景下運行。
多次曝光 = 更高的動(dòng)態(tài)范圍
傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是指圖像傳感器在黑暗和明亮區域中捕獲圖像細節的能力,測量單位為分貝 (dB)。一般而言,120 dB 的動(dòng)態(tài)范圍可捕獲除極端場(chǎng)景以外的所有場(chǎng)景中的細節(汽車(chē)應用需要更高的動(dòng)態(tài)范圍,尤其是在乘客安全方面)。在這類(lèi)包含黑暗和明亮區域的場(chǎng)景中,如果使用單次長(cháng)曝光,可能會(huì )導致明亮區域過(guò)飽和;而單次短曝光可能無(wú)法捕獲到暗處的細節。
圖 1. 圖像顯示,曝光時(shí)間較短可捕獲明亮區域的細節,但會(huì )丟失黑暗區域的細節
圖 2. 圖像顯示,曝光時(shí)間較長(cháng)可捕獲黑暗區域的細節,但會(huì )丟失明亮區域的細節
因此,為了捕獲所有區域的細節,傳感器可采用短、中、長(cháng)曝光時(shí)間,通過(guò)多次曝光拍攝多張圖像。然后,將這些曝光合并為單張圖像,以實(shí)現高動(dòng)態(tài)范圍,這一過(guò)程稱(chēng)為線(xiàn)性化。
圖 3:圖 1 和圖 2 場(chǎng)景現在具有高動(dòng)態(tài)范圍
現在,憑借一系列從亮到暗的細節,人工智能識別系統可提高辨認和識別性能。
高分辨率挑戰
如果識別距離更遠,圖像細節更多,則需要更高的分辨率。與對象相距 5 至 10 米遠時(shí),1080p 不足以提供對象檢測和分類(lèi)所需的細節。因此,對 4K、甚至更高分辨率傳感器的需求不斷增加。對于這些尺寸的圖像,帶寬成為一大設計挑戰,因為每張圖像的尺寸顯著(zhù)增加。此外,如果要實(shí)現 120 dB HDR,傳感器需要三次曝光和 3 倍的有效幀率,因為傳感器會(huì )為每幀拍攝三張不同的圖像。例如,對于三次曝光 HDR,如果傳感器的有效幀率為每秒 30 幀 (fps),則傳感器陣列、電路和輸出需要在 90 fps 幀率有效工作。幀率為 30 fps 的三次曝光 HDR 4K 圖像如果在獨立于傳感器的 ISP 中執行線(xiàn)性化,需要 9000 Mbps,這對處理性能和接口速度是一大挑戰。對于攝像頭系統,將高分辨率與傳感器外 HDR 相結合是一項艱巨的挑戰。
圖 4. 典型的高動(dòng)態(tài)范圍架構通過(guò)圖像傳感器和 ISP 之間的接口發(fā)送多張圖像,在高分辨率時(shí)可能會(huì )導致可用帶寬緊張或超出可用帶寬
為了緩解這兩個(gè)問(wèn)題,安森美AR0822 通過(guò)將實(shí)時(shí)線(xiàn)性化集成到傳感器中,智能地嵌入高動(dòng)態(tài)范圍。如此一來(lái),即便是在更高分辨率時(shí),傳統的處理性能和接口速度也更容易滿(mǎn)足需求。
圖 5. AR0822 嵌入式高動(dòng)態(tài)范圍 (eHDR) 圖像傳感器
運動(dòng)和 LED 照明偽影
由于三次曝光是在不同的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行,所以 HDR 圖像中會(huì )出現偽影。每次曝光時(shí),快速移動(dòng)的對象的位置(角速度)將略有不同。
圖 6. 旋轉的風(fēng)扇,顯示多次曝光 HDR 造成的運動(dòng)偽影
此外,帶有 LED 照明的場(chǎng)景可能會(huì )出現其他偽影。為節省用電,LED 以攝像頭而非人眼能夠看到的頻率打開(kāi)和關(guān)閉。LED 可能會(huì )在第一次曝光時(shí)打開(kāi),在第二次和第三次曝光時(shí)關(guān)閉,從而導致多次曝光和多張圖像中的光照水平不同。
圖 7. LED 燈箱,其中兩列亮起,LED 閃爍偽影造成強度差異
AR0822 eHDR 包含“智能線(xiàn)性化”,以解決這些由多次曝光幀組合而引起的偽影。通過(guò)感測一個(gè)幀內由不同曝光捕獲的信號電平差異,從而試圖減少通常因運動(dòng)或 LED 閃爍造成的偽影,就有可能實(shí)現上述目的。
圖 8和圖9. 得益于 AR0822 的智能線(xiàn)性化,風(fēng)扇沒(méi)有運動(dòng)偽影且 LED 燈箱的兩列完全亮起
通過(guò)在充滿(mǎn)挑戰的光照條件下提供高質(zhì)量性能,再結合人工智能系統在安防/監控、AMR 和工業(yè)移動(dòng)機器人應用中所需的目標分辨率,eHDR 可增強對象檢測與識別。
下載我們的白皮書(shū),詳細了解 AR0822,以及在嵌入式自主機器視覺(jué)應用中實(shí)施更高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器時(shí),使用 eHDR 如何能夠增加動(dòng)態(tài)范圍并克服其他挑戰。
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