無處不在的機(jī)器視覺

無人機(jī)越來越聰明了！很多使用者都有這樣的感慨。從前操作無人機(jī)都要小心翼翼，唯恐突遇障礙物擋道，遭遇炸機(jī)之慘禍?，F(xiàn)在的無人機(jī)則完全可以騰挪躲閃，及時(shí)回避飛行路徑中的各種障礙物，讓很多初學(xué)者也可以輕易駕馭。

變聰明的無人機(jī)有什么秘技嗎？答案就是有了機(jī)器視覺技術(shù)的加持。通過機(jī)器視覺技術(shù)，無人機(jī)不但能感知障礙物，還能知道自己和障礙物的距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的避障和繞障。

機(jī)器視覺的概念源自于機(jī)器人領(lǐng)域，美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會對其定義為：“通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動的裝置?！?/p>

機(jī)器視覺常以完整系統(tǒng)形式出現(xiàn)，通?？蓜澐譃楣鈱W(xué)成像、圖像傳感器、圖像處理、IO和顯示等五大模塊。這其中，以全局快門Global Shutter （以下簡稱GS）CMOS傳感器為代表的圖像傳感器推動了機(jī)器視覺系統(tǒng)近幾年的大發(fā)展。

（圖片來源于騰訊視頻：思特威Global Shutter技術(shù)與前沿機(jī)器視覺應(yīng)用視頻）

正是有了CMOS圖像傳感器，機(jī)器視覺早已不再是工業(yè)自動化領(lǐng)域的專屬名詞并已經(jīng)輕松融入了我們的生活當(dāng)中，因此也有了“消費(fèi)級機(jī)器視覺”這一新興領(lǐng)域及概念。比如，進(jìn)入很多家庭的掃地機(jī)器人，配備了機(jī)器視覺技術(shù)，可以徹底清掃衛(wèi)生死角。小巧便捷的翻譯筆，因機(jī)器視覺技術(shù)，可以讀懂多種語言。而工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，依然使用機(jī)器視覺系統(tǒng)自動完成高度精密的自動化制造及對不良產(chǎn)品的檢測等。

而隨著AI應(yīng)用的廣泛落地，例如掃臉支付、人臉識別門禁/門鎖更是以極快的速度滲透到了人們的工作和生活中。連商場里也不乏智能互動電子屏、智能穿衣鏡等基于AI及機(jī)器視覺的交互類智能視頻設(shè)備的身影。

總體來看，CMOS圖像傳感器已借由“消費(fèi)級機(jī)器視覺”的紐帶與我們的生活完美契合在了一起。

（圖片來源于騰訊視頻：思特威Global Shutter技術(shù)與前沿機(jī)器視覺應(yīng)用視頻）

CMOS傳感器的新崛起

CMOS是當(dāng)今主流的圖像傳感器技術(shù)之一，與之對應(yīng)的是曾經(jīng)的霸主CCD圖像傳感器。

1970年，CCD圖像傳感器在Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，CMOS圖像傳感器在NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL制造成功。但是，CCD依靠高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等特性，一直成為圖像傳感器市場的主導(dǎo)，直到90年代末才被CMOS拉下神壇。

與CCD圖像傳感器相對比，CMOS圖像傳感器具有低功耗、低操作電壓、片上集成功能、性價(jià)比高等優(yōu)勢，但是在初期由于相對較差的性能和較大的像素尺寸，并沒有得到重視。后來隨著工藝制程水平的不斷提高，CMOS圖像傳感器才逐漸開始展現(xiàn)出CCD圖像傳感器不具有的優(yōu)勢，在圖像傳感器領(lǐng)域的市場攻城略地。時(shí)至今日，手機(jī)、相機(jī)已經(jīng)全部淪為CMOS傳感器的天下。

不過CMOS圖像傳感器卻絲毫沒有止步的意思。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著機(jī)器視覺在工業(yè)自動化、無人機(jī)、智能家電中的應(yīng)用，CMOS圖像傳感器又迎來了新一輪的發(fā)展浪潮。

因?yàn)闄C(jī)器視覺的應(yīng)用特性，CMOS圖像傳感器面臨新的挑戰(zhàn)。如果以前只是要求成像細(xì)致、色彩鮮艷的話，現(xiàn)在則要求快速捕捉（高幀率），無形變（全局快門）和非可見光下成像（近紅外增強(qiáng)技術(shù)）。畢竟，這次服務(wù)的對象從人換成了機(jī)器。

GS的引入是一個重大革新。它使得CMOS傳感器同時(shí)曝光來擷取不失真的運(yùn)動物體圖像，這對機(jī)器視覺的領(lǐng)域有重大意義。

GS的基本原理是傳感器可以同時(shí)掃描圖像的整個區(qū)域。在GS傳感器中，使用所有像素同時(shí)捕獲圖像。

舉例來說，以前的背照式（BSI）傳感器均為卷簾快門，因而會在拍攝高速運(yùn)動的物體時(shí)產(chǎn)生“果凍效應(yīng)”造成物體嚴(yán)重變形，但擁有全局快門的傳感器則能夠通過讓傳感器上的單個像素點(diǎn)在同一時(shí)間捕捉到光線信號從而有效解決這一問題。

而最早洞察這一趨勢的是一家國內(nèi)的圖像傳感器設(shè)計(jì)公司，思特威在2017年就以前瞻性的眼光開始布局其GS技術(shù)的研發(fā)，并于2018年就發(fā)布了全球首款基于BSI像素工藝的商業(yè)級30萬像素GS CMOS圖像傳感器——SC031GS，成為率先進(jìn)入“消費(fèi)級機(jī)器視覺”應(yīng)用領(lǐng)域的CIS企業(yè)先鋒。

該產(chǎn)品創(chuàng)造性地將BSI像素設(shè)計(jì)工藝與GS圖像傳感器設(shè)計(jì)巧妙結(jié)合在一起，提供信噪比更佳、靈敏度更高與動態(tài)范圍更大的成像性能，可應(yīng)用于智能讀碼器設(shè)備、無人機(jī)、智能模組（Gesture Recognition/ vSLAM/ Depth Information/ Optical Flow）等諸多圖像識別類AI應(yīng)用領(lǐng)域，而GS CMOS傳感器也迎來了無比寬廣的發(fā)展空間。

戰(zhàn)略眼光成就GS傳感器新貴

作為圖像傳感器領(lǐng)域的前沿，GS CMOS傳感器的研發(fā)成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其是，高分辨率的GS CMOS設(shè)計(jì)和生產(chǎn)門檻都很高。

可喜的是，以思特威為代表的中國高新CIS企業(yè)已經(jīng)在這個領(lǐng)域占據(jù)了先機(jī)。就在前不久舉行的SPM 2020思特威合作伙伴大會上，思特威創(chuàng)始人兼董事長兼CEO徐辰博士指出，除了在安防應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先的市場份額外，思特威早在2017年就布局的消費(fèi)級Global Shutter圖像傳感器市場今年亦收獲佳績，在消費(fèi)級機(jī)器視覺領(lǐng)域出貨量躍居全球首位！面對這樣的市場成績，思特威并未停下對GS技術(shù)進(jìn)階創(chuàng)新的腳步。在SPM 2020大會上徐辰博士繼而發(fā)布了思特威2nd Gen SmartGS? 技術(shù)，通過提升pixel size來增加感度和暗光效果，提升率可達(dá)30%，另一方面采用并行電壓域讀取，大大提升了最大快門速度，完善對高速運(yùn)動物體的清晰抓拍。據(jù)介紹，該技術(shù)基于全新的電容工藝，其讀取噪聲可降低一倍以上，同時(shí)兼具區(qū)域 HDR技術(shù)，可大大提升特定位置的動態(tài)范圍，解決了夜間拍攝信號燈成像過曝等問題，可謂大放異彩。而下一代3rd Gen SmartGS? Technology的研發(fā)已經(jīng)在路上，預(yù)計(jì)將在明年和大家見面。

在尖端GS技術(shù)的加持下，思特威今年陸續(xù)推出了數(shù)款賦能不同機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域的GS產(chǎn)品。如賦能智能駕艙DMS系統(tǒng)的全新130W像素全局快門圖像傳感器——SC133GS，采用2.7μm像素及1/4″光學(xué)尺寸，憑借思特威領(lǐng)先的GS技術(shù)優(yōu)勢，可以為DMS系統(tǒng)及時(shí)提供無形變、無偽影的高清可識別影像，為系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)精確的判斷提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有效監(jiān)測駕駛員駕駛狀態(tài)，保障行車安全。

（圖片來源于思特威SC133GS產(chǎn)品發(fā)布新聞）

而在智能交通系統(tǒng)（ITS）應(yīng)用領(lǐng)域，思特威今年亦發(fā)布了SC410GS，該產(chǎn)品采用400萬的BSI像素結(jié)合全局快門技術(shù)，可精準(zhǔn)捕捉快速運(yùn)動的物體，成像無尾影、不形變，大大提升了智能交通系統(tǒng)對車牌的精準(zhǔn)捕捉及高效識別。而在SPM 2020大會上，思特威也現(xiàn)場展示了SC410GS覆蓋2-4車道的ITS實(shí)際應(yīng)用演示影像，博得了來賓的一致肯定。

而后續(xù)，思特威還將發(fā)布面向ITS應(yīng)用更高分辨率的SC910GS（即900萬BSI與GS技術(shù)結(jié)合產(chǎn)品）以及在信噪比、高溫成像、近紅外增強(qiáng)及HDR上全性能升級的SC035HGS（mono/color）產(chǎn)品，賦能更多AI及消費(fèi)級機(jī)器視覺應(yīng)用終端。

結(jié)語

隨著硬件方案的不斷成熟和運(yùn)算能力的提升，機(jī)器視覺在多個領(lǐng)域應(yīng)用的廣度和深度均在提高。作為核心部件的GS CMOS傳感器，在設(shè)計(jì)和工藝不斷改進(jìn)的條件下，還將繼續(xù)推動機(jī)器視覺的應(yīng)用在各個領(lǐng)域進(jìn)一步普及，并為人們的生活帶來更多智能與美好。