圖像傳感器是所有機(jī)器視覺(MV)系統(tǒng)的核心，這是負(fù)責(zé)將物理世界的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的基本元件，在確保機(jī)器視覺操作的準(zhǔn)確性、可靠性和高效率方面起到了關(guān)鍵作用。在這篇博文中，安森美探討了為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇圖像傳感器的關(guān)鍵考慮因素，闡明了圖像傳感器對(duì)于推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)新和進(jìn)步的重要性。

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(huì)導(dǎo)致增加不必要的成本，且不會(huì)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(píng)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(huì)影響到多個(gè)成像性能指標(biāo)，包括視場(chǎng)、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(duì)于獲得清晰銳利的圖像至關(guān)重要，那些對(duì)圖像質(zhì)量有著超高要求的應(yīng)用場(chǎng)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(huì)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(chǎng)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(dòng)態(tài)環(huán)境或涉及移動(dòng)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(dòng)，并與所成像的物理空間保持同步，從而確保精確測(cè)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(shì)，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(shì)。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(dòng)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(dòng)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(chǎng)景中捕捉畫面的性能。動(dòng)態(tài)范圍較高的傳感器能夠在單幀中準(zhǔn)確再現(xiàn)場(chǎng)景里的全部色調(diào)范圍，從而增強(qiáng)圖像的對(duì)比度和細(xì)節(jié)處理效果。這是駕車穿越隧道等日常場(chǎng)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(dòng)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(dòng)態(tài)范圍也發(fā)揮著重要作用，可以讓機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)準(zhǔn)確感知和解析明暗對(duì)比強(qiáng)烈的場(chǎng)景。例如，在工業(yè)環(huán)境中，支持高動(dòng)態(tài)范圍的傳感器可確保機(jī)器能夠檢測(cè)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(dòng)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(dòng)化和安全表現(xiàn)。

圖2：有無高動(dòng)態(tài)范圍的強(qiáng)光環(huán)境圖像效果對(duì)比

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(huì)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(huì)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(dòng)偽影和應(yīng)用需求?？筛鶕?jù)傳感器所采用的快門機(jī)制對(duì)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。

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(duì)比情況。

運(yùn)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生偏斜或失真等運(yùn)動(dòng)偽影。在捕捉快速移動(dòng)的物體或快速變化的場(chǎng)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(dòng)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(dòng)物體的場(chǎng)景中或動(dòng)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(dòng)作，捕捉到清晰的畫面。因此，在需要精確分析運(yùn)動(dòng)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(dòng)偽影（這個(gè)問題主要由物體/對(duì)象或攝像頭運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致，常出現(xiàn)在手持?jǐn)z像等應(yīng)用中）

• 均勻曝光

• 動(dòng)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(dòng)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(duì)靜止或低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，但對(duì)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。

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(dòng)，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(dòng)場(chǎng)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(dòng)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(duì)于追蹤快速運(yùn)動(dòng)的物體和適應(yīng)不斷變化的環(huán)境至關(guān)重要。