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)勢和劣勢。

       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，這可以簡化許多測量。由于每個(gè)像素都需要單獨(dú)讀取，因此對于使用這種架構(gòu)創(chuàng)建特別大的陣列檢測器來說，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常可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)。

機(jī)器視覺

        機(jī)器視覺是一個(gè)快速增長的領(lǐng)域，2021 年價(jià)值 32.3 億美元，預(yù)計(jì)同比增長 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單一顏色敏感的傳感器。然而，對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估等應(yīng)用，單一顏色檢測器可能不適合。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獲得的光譜信息類型。