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機(jī)器視覺(jué)之“眼”:圖像傳感器為什么如此關(guān)鍵?

發(fā)布時(shí)間:2024-10-18 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】顧名思義,傳感器是可以感知周?chē)澜?,并將輸入轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)或過(guò)程控制器可以理解的內(nèi)容的電子器件。工業(yè)傳感器就像人類(lèi)的神經(jīng)終端,沒(méi)有它們,工業(yè)過(guò)程對(duì)自己和環(huán)境的感知和控制都將是盲目的。作為自動(dòng)化系統(tǒng)重要組成部分的工業(yè)傳感器,為原本沒(méi)有生命的機(jī)器提供類(lèi)似人類(lèi)的眼睛、耳朵和手的功能,從而提高了制造過(guò)程的精度、適應(yīng)性和控制能力。


迄今為止,人類(lèi)已經(jīng)經(jīng)歷了三次工業(yè)革命,目前正處于第四次工業(yè)革命的中期。在每個(gè)時(shí)代,傳感器技術(shù)都得到了較大的發(fā)展。

第一次工業(yè)革命帶來(lái)了機(jī)械傳感器,第二次工業(yè)革命帶來(lái)了電傳感器,第三次工業(yè)革命則帶來(lái)了磁性、光學(xué)、MEMS等多種傳感電子產(chǎn)品。第四次革命暨工業(yè)4.0更是催生了智能工業(yè)傳感器的誕生和應(yīng)用。

顧名思義,傳感器是可以感知周?chē)澜纾⑤斎朕D(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)或過(guò)程控制器可以理解的內(nèi)容的電子器件。工業(yè)傳感器就像人類(lèi)的神經(jīng)終端,沒(méi)有它們,工業(yè)過(guò)程對(duì)自己和環(huán)境的感知和控制都將是盲目的。作為自動(dòng)化系統(tǒng)重要組成部分的工業(yè)傳感器,為原本沒(méi)有生命的機(jī)器提供類(lèi)似人類(lèi)的眼睛、耳朵和手的功能,從而提高了制造過(guò)程的精度、適應(yīng)性和控制能力。

制造業(yè)中的機(jī)器視覺(jué)

由于傳感器的部署,制造過(guò)程中曾經(jīng)需要人工干預(yù)的每一步現(xiàn)在都被機(jī)器優(yōu)化了,工業(yè)傳感器為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了感知和響應(yīng)環(huán)境變化的重要手段。

機(jī)器視覺(jué)是人工智能和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)子集,主要借助工業(yè)傳感器和圖像處理算法來(lái)自動(dòng)化傳統(tǒng)上由人類(lèi)執(zhí)行的任務(wù)?,F(xiàn)代制造工藝越來(lái)越復(fù)雜,需要多個(gè)步驟協(xié)同工作才能制造出完成版的產(chǎn)品。

在制造業(yè)中,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)捕獲和分析產(chǎn)品或組件的圖像,以評(píng)估其質(zhì)量、尺寸和其他關(guān)鍵參數(shù)。這些系統(tǒng)可以檢測(cè)缺陷,以微米級(jí)的精度測(cè)量尺寸,并為工藝優(yōu)化提供寶貴的數(shù)據(jù)。

雖然工業(yè)機(jī)器視覺(jué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)都利用了類(lèi)似的底層技術(shù),如圖像處理算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但與計(jì)算機(jī)視覺(jué)不同的是,工業(yè)機(jī)器視覺(jué)是為特定的制造任務(wù)量身定制的,主要作用包括:

1、產(chǎn)品質(zhì)量控制

借助高分辨率相機(jī)和先進(jìn)的圖像處理算法,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在質(zhì)量控制和檢驗(yàn)過(guò)程中提供了無(wú)與倫比的準(zhǔn)確性和一致性,極大限度地降低了缺陷風(fēng)險(xiǎn),確保產(chǎn)品符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),并向客戶(hù)交付高質(zhì)量的產(chǎn)品。此外,通過(guò)在生產(chǎn)周期的早期階段檢測(cè)缺陷和偏差,還能有效地避免昂貴的返工過(guò)程,減少浪費(fèi)。

2、提高運(yùn)營(yíng)效率

機(jī)器視覺(jué)在制造過(guò)程中的應(yīng)用,一方面實(shí)現(xiàn)了重復(fù)性任務(wù)的自動(dòng)化,簡(jiǎn)化了制造工作流程,加快了生產(chǎn)周期,減少了人工干預(yù)。另一方面,它帶來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和決策能力可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)、優(yōu)化資源分配和提高整個(gè)制造車(chē)間的生產(chǎn)率。因此,機(jī)器視覺(jué)不僅僅是自動(dòng)化的一個(gè)環(huán)節(jié),更是在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高精度和一致性的關(guān)鍵。

3、降低成本、優(yōu)化資源

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)極大限度地減少了重復(fù)性和勞動(dòng)密集型任務(wù)對(duì)人力的需求,從而顯著節(jié)省了成本并提高了資源利用率。

4、監(jiān)管合規(guī)和風(fēng)險(xiǎn)緩解

機(jī)器視覺(jué)在制造業(yè)中的主要應(yīng)用可以說(shuō)是質(zhì)量控制和檢測(cè),該系統(tǒng)可提供快速、準(zhǔn)確和一致的產(chǎn)品檢測(cè)能力。確保產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)于制造商在保持客戶(hù)滿(mǎn)意度和遵守法規(guī)方面至關(guān)重要,尤其是在制藥和食品加工等高度監(jiān)管的行業(yè),通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)施的強(qiáng)有力質(zhì)量控制措施和可追溯性,制造商將大幅降低產(chǎn)品召回、責(zé)任索賠和不合規(guī)處罰相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

通俗地講,機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是一項(xiàng)使工業(yè)設(shè)備能夠“看到”它正在做什么,并根據(jù)它所看到的內(nèi)容做出快速?zèng)Q策的技術(shù)。使用高分辨率攝像頭和先進(jìn)算法,機(jī)器視覺(jué)可以及早檢測(cè)缺陷,確保產(chǎn)品符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),極大限度地降低廢品率,提高客戶(hù)滿(mǎn)意度。

以汽車(chē)制造業(yè)為例,在裝配過(guò)程的白車(chē)身階段,機(jī)器視覺(jué)能根據(jù)形狀、尺寸、顏色或紋理等預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確識(shí)別和分類(lèi)組件、零件和材料,并將它們放置在正確的產(chǎn)線(xiàn)位置。同時(shí),機(jī)器視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)還能以精確、快速和靈活的方式執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù),如拾取和放置操作、焊接或組裝等。

因此,彭博社預(yù)測(cè)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)將將繼續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng),到2025年,估計(jì)全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到182.4億美元。根據(jù)Fortune business insights的分析,2022年,全球機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模為90.1億美元,預(yù)計(jì)將從2023年的96.8億美元增長(zhǎng)到2030年的168.2億美元,在2023-2030年的預(yù)測(cè)期內(nèi),復(fù)合年增長(zhǎng)率為8.2%。

圖像傳感器:機(jī)器視覺(jué)之“眼”

如本文開(kāi)頭所述,第四次革命催生了智能工業(yè)傳感器,現(xiàn)在的視覺(jué)系統(tǒng)越來(lái)越多地連接到運(yùn)行人工智能(AI)算法的計(jì)算機(jī),其結(jié)果就是智能機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)自動(dòng)化中獲得大規(guī)模使用。機(jī)器視覺(jué)相當(dāng)于工業(yè)自動(dòng)化的眼睛,利用攝像頭、傳感器和計(jì)算能力,機(jī)器視覺(jué)技術(shù)試圖理解圖像,并使機(jī)器能夠完成制造和質(zhì)量驗(yàn)證等工業(yè)任務(wù)。

圖像傳感器是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中使用的攝像頭的精髓,它使系統(tǒng)更有效率,更安全。2D和3D圖像的捕獲、分組和分析比人類(lèi)執(zhí)行這些功能還要快且非常準(zhǔn)確,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以在生產(chǎn)線(xiàn)上檢測(cè)到微小的不一致,并在必要時(shí)采取糾正措施。

圖像傳感器,有時(shí)也稱(chēng)為成像器,主要利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào),通過(guò)測(cè)量物體在不同點(diǎn)發(fā)出的射線(xiàn),可以構(gòu)建、捕獲和顯示該物體的圖像。圖像傳感器基本上是單色的,為了促進(jìn)可見(jiàn)光的彩色成像,很常見(jiàn)的方法是在傳感器上方采用一層濾色矩陣層。該濾鏡將光分離為紅、綠、藍(lán)(RGB)分量,并插值單個(gè)像素的輸出以顯示顏色。

早期的數(shù)碼相機(jī)使用的就是耗電量較大的電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了CMOS圖像傳感器,到2000年代中期,CMOS已成為市場(chǎng)上主導(dǎo)的圖像傳感技術(shù)。二者相比,CMOS圖像傳感器的能耗可比等效CCD器件低一個(gè)數(shù)量級(jí),制造成本更低,并且隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展而不斷改進(jìn)。早期還有人擔(dān)心CMOS圖像傳感器因噪聲可能較大會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降,隨著技術(shù)的進(jìn)步,這個(gè)問(wèn)題基本得到了解決。目前,CMOS圖像傳感器在大多數(shù)應(yīng)用中基本取代了CCD。

為機(jī)器視覺(jué)選擇合適的圖像傳感器

雖然傳感器的選擇主要取決于具體的應(yīng)用和要求,但有一些一般的考慮因素和規(guī)格應(yīng)該放在首位,包括傳感器的像素范圍、精度和響應(yīng)時(shí)間,以確保其能夠滿(mǎn)足應(yīng)用的需求。

此外,傳感器的輸出信號(hào)必須與系統(tǒng)控制器的輸入要求兼容,同時(shí)其物理尺寸和安裝方法也必須適合安裝位置。許多工業(yè)環(huán)境都很惡劣,因此確保傳感器即使在面對(duì)各種溫度、濕度、振動(dòng)、污垢和灰塵時(shí)也能提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員在為制造過(guò)程中的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)挑選圖像傳感器時(shí)可從以下幾個(gè)要素入手:

像素和分辨率

像素越多,圖像的分辨率就越高。這些像素越小,可以實(shí)現(xiàn)的分辨率就越高,在給定的圖像大小內(nèi)可以分辨出的細(xì)節(jié)也就越多。當(dāng)然,并不意味著我們要追求極致的小像素,因?yàn)檩^大的像素可捕獲更多的光并表現(xiàn)出更好的信噪比,二者之間需要一個(gè)重大的權(quán)衡。在實(shí)踐中,工業(yè)應(yīng)用的圖像傳感器通常使用1.5微米到10微米之間的像素尺寸。對(duì)于分辨率而言,雖然它通常是選擇圖像傳感器時(shí)考慮的第一個(gè)參數(shù),但分辨率并不是唯一重要的特征,還有許多其他因素,常見(jiàn)的考慮因素是傳感器尺寸、幀率、快門(mén)類(lèi)型、響應(yīng)度和動(dòng)態(tài)范圍,接口類(lèi)型、功耗、工作溫度范圍和機(jī)械格式也很重要。

幀率

幀率是每秒捕獲的圖像數(shù)量,它表示為每秒幀數(shù)或FPS。極大幀率與快門(mén)速度、分辨率有關(guān),分辨率決定了每幀需要傳輸多少數(shù)據(jù)、從傳感器讀取數(shù)據(jù)的速度以及系統(tǒng)中可能的數(shù)據(jù)傳輸速度。為了監(jiān)控快速生產(chǎn)線(xiàn),可能需要更高的幀率。當(dāng)使用圖像傳感器進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)檢測(cè)時(shí),幀率的計(jì)算很簡(jiǎn)單。如果要檢查的對(duì)象以每秒10個(gè)的速度沿直線(xiàn)移動(dòng),則捕獲每個(gè)對(duì)象的一次拍攝所需的極小幀速率為10FPS。常見(jiàn)的工業(yè)圖像傳感器幀率為幾十FPS,單色傳感器的幀率可能超過(guò)800FPS。

卷簾快門(mén)與全局快門(mén)

圖像傳感器上的像素如何曝光取決于相機(jī)上采用的快門(mén)類(lèi)型。對(duì)快速運(yùn)動(dòng)的圖像來(lái)說(shuō),會(huì)首選同時(shí)采樣和曝光所有像素(并順序讀取每個(gè)像素)的全局快門(mén)。全局快門(mén)傳感器比類(lèi)似的卷簾快門(mén)更大、更昂貴,但它們提供了更高的靈敏度和響應(yīng)度,這使它們對(duì)許多工業(yè)應(yīng)用具有吸引力。全局快門(mén)長(zhǎng)期以來(lái)一直用于CCD圖像傳感器,直至近期,與全局快門(mén)配合使用的CMOS圖像傳感器的可用性一直受到制造工藝復(fù)雜性的限制。現(xiàn)在,AMS-Osram和onsemi等制造商已經(jīng)可以提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的全局快門(mén)圖像傳感器。

動(dòng)態(tài)范圍

圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍定義了傳感器可以獲取并產(chǎn)生輸出信號(hào)的極小和極大光水平。傳感器的動(dòng)態(tài)范圍越大,其捕獲高對(duì)比度圖像的能力就越強(qiáng),人眼的動(dòng)態(tài)范圍約為100dB,機(jī)器視覺(jué)圖像傳感器的典型動(dòng)態(tài)范圍約為60dB至80dB。

價(jià)格

CCD在線(xiàn)性?huà)呙钁?yīng)用中仍然很受歡迎,在相同的基礎(chǔ)上定價(jià),CMOS圖像傳感器更受歡迎。

具體到產(chǎn)品上,以安森美半導(dǎo)體(onsemi)的通用CMOS圖像傳感器為例,該系列圖像傳感器有VITA和KAC兩種型號(hào),VITA圖像傳感器是卷簾/全局快門(mén)圖像傳感器,具有較高的配置靈活性、高分辨率以及高速和高靈敏度等特性。KAC圖像傳感器采用全局快門(mén)和低噪聲卷簾快門(mén)模式,具有可編程位深度和靈活的讀出架構(gòu),支持散布的視頻流。這些圖像傳感器具有1.3MP至26.2MP分辨率、4.5μm至4.8μm像素尺寸以及75fps至160fps的極大幀率。典型應(yīng)用包括機(jī)器視覺(jué)、智能交通系統(tǒng)、監(jiān)控以及其他需要功能性較強(qiáng)和圖像質(zhì)量出眾的應(yīng)用。

onsemi

機(jī)器視覺(jué)之“眼”:圖像傳感器為什么如此關(guān)鍵?適用于機(jī)器視覺(jué)的安森美通用CMOS圖像傳感器VITA 5000(圖源:onsemi)


其中,VITA 5000是一款1英寸四超擴(kuò)展圖形陣列(QSXGA)CMOS圖像傳感器,像素陣列為2592 x 2048。高靈敏度4.8m x 4.8m像素支持流水線(xiàn)和觸發(fā)式全局快門(mén)讀出模式,也可以在低噪聲滾動(dòng)快門(mén)模式下運(yùn)行。在滾動(dòng)快門(mén)模式下,傳感器支持相關(guān)雙采樣讀出,降低噪聲并增加了動(dòng)態(tài)范圍。VITA 5000具有片上可編程增益放大器和10位A/D轉(zhuǎn)換器,圖像的黑電平可以自動(dòng)校準(zhǔn),也可以通過(guò)添加用戶(hù)可編程的偏移來(lái)調(diào)整,圖像數(shù)據(jù)接口由八個(gè)LVDS通道組成,可實(shí)現(xiàn)高達(dá)75FPS的幀率。VITA 5000采用68針LCC封裝,有單色和彩色兩種版本。

另一款產(chǎn)品KAC-12040圖像傳感器是安森美KAC系列中的一員,具有非常快的幀速率、卓越的NIR靈敏度以及靈活的讀取模式,且具有多個(gè)興趣區(qū)(ROI)。該讀取結(jié)構(gòu)可使用8、4或2個(gè)LVDS輸出組,達(dá)到全分辨率70FPS的幀率。每個(gè)LVDS 輸出組均有至多8個(gè)在160MHz DDR下運(yùn)行的差分對(duì)組成,每組320MHz數(shù)據(jù)速率。該像素結(jié)構(gòu)允許卷簾快門(mén)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)化動(dòng)態(tài)范圍的動(dòng)作捕捉,同時(shí)還允許全局快門(mén),用于精確的靜止圖像捕捉。

本文小結(jié)

對(duì)于制造商來(lái)說(shuō),工業(yè)自動(dòng)化是效率的支柱,自動(dòng)化的核心是一個(gè)經(jīng)常被低估的組件——傳感器,它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)縫運(yùn)行至關(guān)重要。這個(gè)微小但功能強(qiáng)大的器件就像工業(yè)自動(dòng)化的感官,感知環(huán)境的變化,并將其轉(zhuǎn)換為人類(lèi)可讀的輸入信號(hào),供控制器采取行動(dòng)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,傳感器技術(shù)的創(chuàng)新有望重新定義制造業(yè)效率和精度的含義。

根據(jù)Mordor Intelligence的預(yù)測(cè),2024年,工業(yè)傳感器市場(chǎng)規(guī)模約為273.9億美元,預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到415.5億美元,在預(yù)測(cè)期內(nèi)將以8.69%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

作為工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一,機(jī)器視覺(jué)在先進(jìn)的傳感技術(shù)的加持下有了較大發(fā)展。現(xiàn)在,這項(xiàng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)正在與人工智能相融合,并引領(lǐng)制造業(yè)向智能制造或工業(yè)4.0的過(guò)渡。如果說(shuō)智能制造的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代,那么,工業(yè)傳感器和機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)的進(jìn)步在確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和優(yōu)化流程方面正在發(fā)揮著關(guān)鍵作用。



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