【導讀】圖像傳感器是所有機器視覺(jué)(MV)系統的核心，這是負責將物理世界的信息轉換為數字數據的基本元件，在確保機器視覺(jué)操作的準確性、可靠性和高效率方面起到了關(guān)鍵作用。在這篇博文中，安森美探討了為機器視覺(jué)系統選擇圖像傳感器的關(guān)鍵考慮因素，闡明了圖像傳感器對于推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng )新和進(jìn)步的重要性。
圖像傳感器是所有機器視覺(jué)(MV)系統的核心，這是負責將物理世界的信息轉換為數字數據的基本元件，在確保機器視覺(jué)操作的準確性、可靠性和高效率方面起到了關(guān)鍵作用。在這篇博文中，安森美探討了為機器視覺(jué)系統選擇圖像傳感器的關(guān)鍵考慮因素，闡明了圖像傳感器對于推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng )新和進(jìn)步的重要性。
圖像傳感器作為機器視覺(jué)系統的基礎元件，優(yōu)化其物理特性有助于增強系統的性能和效率。選擇傳感器時(shí)應考慮哪些關(guān)鍵物理特性？
圖1：圖像傳感器的各層構造
分辨率
圖像傳感器的分辨率是指垂直和水平的像素數量，這決定了其捕捉圖像細節的能力。在機器視覺(jué)應用中，要準確地分析和決策，就必須要選取適宜的分辨率。在做決策時(shí)，找到恰當的平衡點(diǎn)非常關(guān)鍵。過(guò)高的分辨率會(huì )導致增加不必要的成本，且不會(huì )明顯提升效果；而分辨率過(guò)低則可能導致遺漏重要的細節和信息。我們必須認真評估應用的具體需求，并根據所需的細致程度選取適宜的分辨率。
光學(xué)格式
圖像傳感器的光學(xué)格式是指其感光區域的大小和形狀。傳感器的大小會(huì )影響到多個(gè)成像性能指標，包括視場(chǎng)、景深和光敏度等。用于低光環(huán)境時(shí)，傳感器的大小是比較重要的考慮因素，決定了能否獲得清晰的圖像。傳感器尺寸越大，圖像質(zhì)量通常越好，但這也意味著(zhù)攝像頭系統體積更大、價(jià)格更昂貴。
令光學(xué)格式與鏡頭的投影相匹配，可確保傳感器的分辨率得到有效利用，這對于獲得清晰銳利的圖像至關(guān)重要，那些對圖像質(zhì)量有著(zhù)超高要求的應用場(chǎng)景尤其需要注意這一點(diǎn)。此外，確定合適的分辨率后，也許更便宜或更高效的鏡頭也可以滿(mǎn)足需求，這就能夠降低攝像頭成本，并且相應減小攝像頭的尺寸，從而進(jìn)一步降低成本。
長(cháng)寬比
圖像傳感器的長(cháng)寬比會(huì )影響所捕獲圖像的布局和像素的分布。長(cháng)寬比選取得當，有助于確保有效利用傳感器的分辨率，讓所捕獲的圖像更準確地反映實(shí)際場(chǎng)景。比如智能交通系統(ITS)或輪胎檢查等應用通常需要較高的水平分辨率。
幀率
圖像傳感器的幀率決定了其每秒捕獲的圖像數量。在動(dòng)態(tài)環(huán)境或涉及移動(dòng)物體的應用中，高幀率與準確捕獲和分析視覺(jué)數據息息相關(guān)。高幀率讓系統可以“定格”運動(dòng)，并與所成像的物理空間保持同步，從而確保精確測量并做出正確決策。
陣列框選或感興趣區域(ROI)讀出技術(shù)可以減少要讀取的數據，從而提高幀率。有些傳感器在只降低垂直分辨率的情況下就能展現出優(yōu)勢，而有些傳感器則需要同時(shí)降低水平和垂直分辨率才能體現出優(yōu)勢。在讀出過(guò)程中進(jìn)行子采樣或跳過(guò)某些像素，也可以提高幀率。
動(dòng)態(tài)范圍
圖像傳感器的另一個(gè)關(guān)鍵物理考慮因素是動(dòng)態(tài)范圍。這是指傳感器在最暗的陰影到最亮的高光等各種不同亮度的場(chǎng)景中捕捉畫(huà)面的性能。動(dòng)態(tài)范圍較高的傳感器能夠在單幀中準確再現場(chǎng)景里的全部色調范圍，從而增強圖像的對比度和細節處理效果。這是駕車(chē)穿越隧道等日常場(chǎng)景中必不可少的關(guān)鍵特性。
當車(chē)輛駛出黑暗的隧道，進(jìn)入明亮的陽(yáng)光下時(shí)，高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器可以同時(shí)處理隧道內的弱光和外面的強光，確保所有物體都清晰可見(jiàn)。在機器視覺(jué)系統中，高動(dòng)態(tài)范圍也發(fā)揮著(zhù)重要作用，可以讓機器人和自動(dòng)化系統準確感知和解析明暗對比強烈的場(chǎng)景。例如，在工業(yè)環(huán)境中，支持高動(dòng)態(tài)范圍的傳感器可確保機器能夠檢測到锃亮反光表面的缺陷，或在光線(xiàn)不足的環(huán)境中讀取標簽信息。高動(dòng)態(tài)范圍帶來(lái)的豐富細節和出色精度可提高機器視覺(jué)應用的可靠性和效率，有助于各行各業(yè)改進(jìn)質(zhì)量控制、自動(dòng)化和安全表現。
圖2：有無(wú)高動(dòng)態(tài)范圍的強光環(huán)境圖像效果對比
除物理參數外，圖像傳感器的光學(xué)特性也是機器視覺(jué)系統性能和適用性的決定性因素。以下為一些主要的光學(xué)考慮因素。
像素
像素是圖像傳感器的基本構成單位，像素大小直接影響傳感器的感光度和分辨率。像素越大，接收的光子就越多，信噪比和圖像質(zhì)量也就越好，低光環(huán)境尤需注意這一點(diǎn)。
不過(guò)，像素越大，需要的硅材料就越多，傳感器尺寸和成本也會(huì )隨之增加。相反，像素越小，可以實(shí)現的分辨率越高，但可能需要更復雜的光學(xué)設計才能實(shí)現與較大像素傳感器相當的圖像質(zhì)量。像素大小的選擇需要綜合考慮靈敏度、分辨率和成本等因素，找到恰當的平衡點(diǎn)。
輸出模式
圖像傳感器通常提供多種輸出模式，例如感興趣區域(ROI)、像素合并或抽取，以使數據采集和處理更靈活。感興趣區域模式可以選擇性讀取圖像內的特定區域，從而提高幀率并減少數據量。像素合并是指將相鄰的像素陣列組合成一個(gè)大像素（例如4個(gè)合成1個(gè)，或9個(gè)合成1個(gè)），可提高靈敏度或降低噪聲；而像素抽取則會(huì )降低圖像分辨率，但可以提高處理速度。
這些輸出模式讓用戶(hù)能夠優(yōu)化傳感器的性能，以滿(mǎn)足高速成像、更高靈敏度或高效數據管理等不同應用需求。
卷簾快門(mén)與全局快門(mén)
快門(mén)類(lèi)型的選擇取決于運動(dòng)偽影和應用需求?？筛鶕鞲衅魉捎玫目扉T(mén)機制對快門(mén)進(jìn)行分類(lèi)。卷簾快門(mén)傳感器按順序逐行曝光像素。相比之下，全局快門(mén)傳感器則是同時(shí)曝光所有像素。
為機器視覺(jué)應用挑選圖像傳感器時(shí)，決定使用卷簾快門(mén)還是全局快門(mén)十分關(guān)鍵。以下是兩者的對比情況。
運動(dòng)偽影
卷簾快門(mén)傳感器在短時(shí)間內逐漸曝光圖像的不同部分，有可能會(huì )產(chǎn)生偏斜或失真等運動(dòng)偽影。在捕捉快速移動(dòng)的物體或快速變化的場(chǎng)景時(shí)，此問(wèn)題尤其常見(jiàn)。相比之下，全局快門(mén)傳感器可以同時(shí)捕捉完整圖像，從而避免運動(dòng)引起的失真問(wèn)題并確保曝光一致。
圖 3：全局快門(mén)效率比較示例
全局快門(mén)效率
在涉及快速移動(dòng)物體的場(chǎng)景中或動(dòng)態(tài)環(huán)境中，全局快門(mén)傳感器表現優(yōu)異，能夠有效定格瞬間動(dòng)作，捕捉到清晰的畫(huà)面。因此，在需要精確分析運動(dòng)或跟蹤高速物體的應用中，全局快門(mén)傳感器是不二之選。
特性比較
全局快門(mén)圖像傳感器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
有效減少運動(dòng)偽影（這個(gè)問(wèn)題主要由物體/對象或攝像頭運動(dòng)導致，常出現在手持攝像等應用中）
均勻曝光
動(dòng)態(tài)環(huán)境中表現出彩
此外，全局快門(mén)傳感器支持高效運動(dòng)分析，有助于精確跟蹤和定位物體。卷簾快門(mén)傳感器可能足以應對靜止或低速運動(dòng)場(chǎng)景，但對于要求更苛刻的機器視覺(jué)任務(wù)，全局快門(mén)傳感器是更理想的選擇。
圖像傳感器的選型要點(diǎn)
為機器視覺(jué)系統挑選合適的圖像傳感器類(lèi)型是確保高效率和準確性的關(guān)鍵。安森美提供的全局快門(mén)圖像傳感器為機器視覺(jué)應用帶來(lái)了全面的方案，不僅能夠高效捕捉運動(dòng)，還兼具高分辨率、適宜的像素大小和靈活的輸出模式，可全方位滿(mǎn)足各項關(guān)鍵需求。
全局快門(mén)還有助于精確地捕捉和分析運動(dòng)場(chǎng)景。通過(guò)同時(shí)捕捉完整圖像，全局快門(mén)傳感器可消除運動(dòng)偽影并確保均勻曝光，從而產(chǎn)生清晰無(wú)失真的圖像。這些特性對于追蹤快速運動(dòng)的物體和適應不斷變化的環(huán)境至關(guān)重要。
借助安森美技術(shù)，攝像頭制造商可以在其機器視覺(jué)應用中實(shí)現出色效果。
（文章來(lái)源:安森美，作者：Danny Scheffer，安森美(onseim)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)部）
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