圖像傳感器作為機(jī)器視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，優(yōu)化其物理特性有助于增強(qiáng)系統(tǒng)的性能和效率。選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮哪些關(guān)鍵物理特性？

圖1 圖像傳感器的各層構(gòu)造

· 分辨率

圖像傳感器的分辨率是指垂直和水平的像素?cái)?shù)量，這決定了其捕捉圖像細(xì)節(jié)的能力。在機(jī)器視覺應(yīng)用中，要準(zhǔn)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(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)非常關(guān)鍵。過高的分辨率會導(dǎo)致增加不必要的成本，且不會明顯提升效果；而分辨率過低則可能導(dǎo)致遺漏重要的細(xì)節(jié)和信息。我們必須認(rèn)真評估應(yīng)用的具體需求，并根據(jù)所需的細(xì)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(qū)域的大小和形狀。傳感器的大小會影響到多個(gè)成像性能指標(biāo)，包括視場、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，但這也意味著攝像頭系統(tǒng)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)量有著超高要求的應(yīng)用場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足需求，這就能夠降低攝像頭成本，并且相應(yīng)減小攝像頭的尺寸，從而進(jìn)一步降低成本。

· 長寬比

圖像傳感器的長寬比會影響所捕獲圖像的布局和像素的分布。長寬比選取得當(dāng)，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(zhǔn)確地反映實(shí)際場景。比如智能交通系統(tǒng)(ITS)或輪胎檢查等應(yīng)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(shù)量。在動態(tài)環(huán)境或涉及移動物體的應(yīng)用中，高幀率與準(zhǔn)確捕獲和分析視覺數(shù)據(jù)息息相關(guān)。高幀率讓系統(tǒng)可以“定格”運(yùn)動，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(qū)域(ROI)讀出技術(shù)可以減少要讀取的數(shù)據(jù)，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(xiàn)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(xiàn)出優(yōu)勢。在讀出過程中進(jìn)行子采樣或跳過某些像素，也可以提高幀率。

· 動態(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景中捕捉畫面的性能。動態(tài)范圍較高的傳感器能夠在單幀中準(zhǔn)確再現(xiàn)場景里的全部色調(diào)范圍，從而增強(qiáng)圖像的對比度和細(xì)節(jié)處理效果。這是駕車穿越隧道等日常場景中必不可少的關(guān)鍵特性。

當(dāng)車輛駛出黑暗的隧道，進(jìn)入明亮的陽光下時(shí)，高動態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器可以同時(shí)處理隧道內(nèi)的弱光和外面的強(qiáng)光，確保所有物體都清晰可見。在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，高動態(tài)范圍也發(fā)揮著重要作用，可以讓機(jī)器人和自動化系統(tǒng)準(zhǔn)確感知和解析明暗對比強(qiáng)烈的場景。例如，在工業(yè)環(huán)境中，支持高動態(tài)范圍的傳感器可確保機(jī)器能夠檢測到锃亮反光表面的缺陷，或在光線不足的環(huán)境中讀取標(biāo)簽信息。高動態(tài)范圍帶來的豐富細(xì)節(jié)和出色精度可提高機(jī)器視覺應(yīng)用的可靠性和效率，有助于各行各業(yè)改進(jìn)質(zhì)量控制、自動化和安全表現(xiàn)。

圖2 有無高動態(tài)范圍的強(qiáng)光環(huán)境圖像效果對比

二、光學(xué)考慮因素

除物理參數(shù)外，圖像傳感器的光學(xué)特性也是機(jī)器視覺系統(tǒng)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(gòu)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，像素越大，需要的硅材料就越多，傳感器尺寸和成本也會隨之增加。相反，像素越小，可以實(shí)現(xiàn)的分辨率越高，但可能需要更復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)與較大像素傳感器相當(dāng)?shù)膱D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(dāng)?shù)钠胶恻c(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(qū)域(ROI)、像素合并或抽取，以使數(shù)據(jù)采集和處理更靈活。感興趣區(qū)域模式可以選擇性讀取圖像內(nèi)的特定區(qū)域，從而提高幀率并減少數(shù)據(jù)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能夠優(yōu)化傳感器的性能，以滿足高速成像、更高靈敏度或高效數(shù)據(jù)管理等不同應(yīng)用需求。

· 卷簾快門與全局快門

快門類型的選擇取決于運(yùn)動偽影和應(yīng)用需求。可根據(jù)傳感器所采用的快門機(jī)制對快門進(jìn)行分類。卷簾快門傳感器按順序逐行曝光像素。相比之下，全局快門傳感器則是同時(shí)曝光所有像素。

三、比較卷簾快門與全局快門

為機(jī)器視覺應(yīng)用挑選圖像傳感器時(shí)，決定使用卷簾快門還是全局快門十分關(guān)鍵。以下是兩者的對比情況。

· 運(yùn)動偽影

卷簾快門傳感器在短時(shí)間內(nèi)逐漸曝光圖像的不同部分，有可能會產(chǎn)生偏斜或失真等運(yùn)動偽影。在捕捉快速移動的物體或快速變化的場景時(shí)，此問題尤其常見。相比之下，全局快門傳感器可以同時(shí)捕捉完整圖像，從而避免運(yùn)動引起的失真問題并確保曝光一致。

圖 3 全局快門效率比較示例

· 全局快門效率

在涉及快速移動物體的場景中或動態(tài)環(huán)境中，全局快門傳感器表現(xiàn)優(yōu)異，能夠有效定格瞬間動作，捕捉到清晰的畫面。因此，在需要精確分析運(yùn)動或跟蹤高速物體的應(yīng)用中，全局快門傳感器是不二之選。

· 特性比較

全局快門圖像傳感器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：有效減少運(yùn)動偽影（這個(gè)問題主要由物體/對象或攝像頭運(yùn)動導(dǎo)致，常出現(xiàn)在手持?jǐn)z像等應(yīng)用中）；均勻曝光；動態(tài)環(huán)境中表現(xiàn)出彩。

此外，全局快門傳感器支持高效運(yùn)動分析，有助于精確跟蹤和定位物體。卷簾快門傳感器可能足以應(yīng)對靜止或低速運(yùn)動場景，但對于要求更苛刻的機(jī)器視覺任務(wù)，全局快門傳感器是更理想的選擇。

四、圖像傳感器的選型要點(diǎn)

為機(jī)器視覺系統(tǒng)挑選合適的圖像傳感器類型是確保高效率和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。安森美提供的全局快門圖像傳感器為機(jī)器視覺應(yīng)用帶來了全面的方案，不僅能夠高效捕捉運(yùn)動，還兼具高分辨率、適宜的像素大小和靈活的輸出模式，可全方位滿足各項(xiàng)關(guān)鍵需求。

全局快門還有助于精確地捕捉和分析運(yùn)動場景。通過同時(shí)捕捉完整圖像，全局快門傳感器可消除運(yùn)動偽影并確保均勻曝光，從而產(chǎn)生清晰無失真的圖像。這些特性對于追蹤快速運(yùn)動的物體和適應(yīng)不斷變化的環(huán)境至關(guān)重要。