专家支招：如何解决在工业应用中实施视觉系统的挑战？

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作者：安森美工业和商业方案分部产品线经理 Danny Scheffer

在工业应用中，包括工厂、交通系统、科学/医疗、零售、监控和机器人，图像传感器的使用正在显著增长，因为各公司寻求在其流程中引入更强大的控制，以提高质量和控制成本。

在工厂里，图像传感器为机器人提供视觉，正在改善过程中和生产线末端的检查，及改善工人的安全。在科学和医疗领域，图像传感器是数字放射显影和分布式诊断的一个基本要素，用于X射线晶体学、DNA剖析、天文摄影等等。

在我们现代生活的许多方面，安全是个长期关注的问题。 具有更高分辨率和图像质量的图像传感器正用于无人机/UAV 以实现边境安全。 随着图像传感器被用于监控十字路口和检测道路交通违规行为，以及通过自动车牌识别 (ANPR) 识别车辆，我们的道路变得越来越安全。 

图1：图像传感器广泛用于各种工业应用

随着用户需求的增加，这些图像传感器的功率和质量也在迅速提高，以增强现有应用的性能并赋能这些设备新的应用。

关键的技术推动因素

图像传感的许多技术进步正在推动这些性能的提高。 背照式 (BSI) 通过翻转硅晶片、移动布线前的光电阴极层来重新排列传感器的关键成像元件，从而显著提高对图像传感器至关重要的微光性能。

定义视频源质量的一个关键参数是传感器可提供的每秒帧数 (fps)。 将此与提高的分辨率结合意味着每帧中包含更多像素数据，这需要显著提高传感器架构的速度，以提供无“抖动”的流畅视频输入。

许多现代相机已经摒弃了机械快门，因为它们可能大而重，而且在长期使用后容易发生故障。现代相机越来越多地使用电子快门，所有的像素都被同时捕获，这种技术被称为 “全局快门”。

由于传感器越来越多地被用于含运动因素的应用中（要么传感器在移动的车辆上，要么要拍摄的场景包含移动的物品），因此需要采用快速全局快门的现代传感器来避免与 “卷帘快门”技术相关的图像 “拖尾”和其他不良的伪影。

工业视觉系统设计人员面临的挑战

在为现代应用设计相机时，需要考虑许多因素，其中许多与图像传感器的选择有关——这是决定设计成败的关键决定。

几乎所有的应用都需要高分辨率的图像传感器，比如在医疗应用中，相机要检测疾病的早期迹象，或在工厂检查应用中，必须发现最小的缺陷。然而，随着分辨率的提高，设计的其他部分也会受到影响，需要更大的数据传输带宽、更高的处理能力和更大的存储容量。

因此，指定的传感器必须足以完成任务，但不能过度指定，因为这将使设计的几乎所有方面的成本增加。

随着图像传感器被无人机/UAV和自动导引车 (AGV) 等总是由电池供电的移动应用采用，摄像头方案（包括图像传感器）的功耗现在是个重要的考虑因素。 虽然图像传感器是个重要的功能，但它消耗的电流会耗尽电池电量，缩短车辆在两次充电之间的间隔时间。

在许多情况下，摄像机执行多种任务，需要不同的分辨率，如低分辨率的摄像机用于简单的检测，而高分辨率的摄像机则用于需要检测细节的地方。

然而，由于需要使用不同的传感器实现不同的分辨率，在许多情况下，每个传感器都需要不同的设计，因而大大增加了设计任务（和时间）。即使设计完成了，由于每一个都是不同的，那么利用规模经济的能力就会大大减弱。

许多公司首次采用图像传感器来为其产品增加有价值的功能，学习曲线可能非常陡峭。一些制造商提供全面的工具，以减少设计风险并指导设计人员完成设计过程。

在许多情况下，这些工具对经验丰富的设计人员也很有价值，他们需要在更快的时间范围内进行概念验证，然后无缝开发批量生产版本。

家族式系列方案辅以设计支援

安森美（onsemi）的XGS图像传感器系列采用家族式系列方案，共7款器件，分辨率从230万像素到1600万像素，采用与行业标准的29 mm x 29 mm布板兼容的通用占位。同样，涵盖2000万像素到4500万像素范围的4款器件也享有通用的占位。

这种方法给设计人员带来的巨大好处是

他们可把已知性能的单一的相机硬件设计用于每个分辨率，且IP如固件可在整个系列的相机中重复使用。这极大地减少了设计时间和风险，并允许在制造中实现规模经济。

图2：XGS系列提供卓越的性能和极大的设计支援

在每个图像传感器中，即使是在微光条件下，先进的3.2 mm像素设计也提供出色的图像质量和低噪声水平。快速的全局快门能捕获高质量的图像，而不会出现卷帘快门技术相关的伪影。有各种速度等级可供选择，有效地利用了可用的接口带宽，从而使设计人员能够管理系统成本。尽管性能很高，但分辨率高达4500万像素的XGS器件即使在全速运行时，其功耗也低于1000 mW。

图3：XGS系列CMOS图像传感器，分辨率高达4500万像素

为了进一步支持设计工作，有三种不同的评估系统可供选择。

演示套件包括一个带有 DevSuite 软件的硬件平台，支持完整的传感器评估和访问所有寄存器。

 X-celerator 平台包括公共 FPGA 代码，并直接与 Altera® 软件和赛灵思(Xilinx®) 开发环境接口。

X-Cube 平台是完整的参考设计，用于 29 mm x 29 mm 格式，它使用 Lattice FPGA 进行 HiSPi-to-MIPI 转换。X-Cube 还使用 DevSuite 软件进行图像捕获、处理和分析。

总结

图像传感在包括工业在内的许多应用领域迅速增长，因为它使系统能识别周围的世界并与之交互。 因此，为了提供最先进的解决方案，许多公司现在首次提供视觉功能。 这会给设计人员带来非常陡峭的学习曲线，尤其是当每个传感器分辨率都需要专门的设计时。

安森美的低功耗、低噪声 XGS 系列高性能图像传感器，具有通用的占位面积，并提供多个易于使用的开发平台，全面支援设计人员快速实现最先进的相机设计。