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              為什么全局快門圖像傳感器更適合計算機視覺?

              2022-04-23 14:44 來源:與非觀察 作者:

              什么是計算機視覺?


              實際上大多數人每天都會用到計算機視覺這項科技,比如用于解鎖屏幕或者電子支付的智能手機上的面部識別,超市或者便利店付款時用于識別產品和價格的條形碼掃描等。


              根據IBM對計算機視覺的定義可知:計算機視覺是人工智能 (AI)領域的一個分支,讓計算機
              和系統能夠從數字圖像、視頻和其他視覺輸入數據中提取有意義的信息,并根據這些信息采取行動或提出建議。


              如果將無處不在的計算機視覺進行分類,那么大致可分為四大類:深度感知、生物識別、AR/VR/MR、機器人與工業控制。


               

              為什么全局快門圖像傳感器更適合計算機視覺?


              圖 | 全局快門傳感器適用的計算機視覺應用場景


              ?    深度感知


              通過使用兩個全局快門傳感器搭建一組雙目攝像頭系統,或者是使用一個全局快門傳感器搭建結構光攝像頭系統。通常深度感知可以用于面容識別和3D掃描這類應用場景。


              ?    生物識別


              通過采集人體各個部位的信息并將其用于身份識別,比如人臉信息可以用于面部識別或者2D智能解鎖,體形信息可以用于人存在檢測,駕駛與車艙監視下的司機與乘客的行為信息,可以用于智能駕駛提醒,除此之外還有手勢檢測、掌紋識別、虹膜識別等。


              ?    AR/VR/MR


              通常VR頭顯設備在內部和外部分別有一個攝像頭,內置攝像頭用于眼球追蹤,通過兩個全局快門傳感器進行眼球觀測,外置攝像頭用于外部世界追蹤,主要感知外部環境而非用戶眼球的變化。除此之外,使用VR/AR/MR設備還可以進行生物識別,比如手勢檢測或者手勢追蹤。通常在這種場景下,設備可以通過用戶一個手勢識別出這是哪種行為目的。


              ?    機器人與工業控制


              比如無人機和清潔機器人在使用過程中需要避免相撞,所以要有物體檢測和場景分析能力,而這些都要用到全局快門傳感器,前面提到的條形碼識別也屬于工業控制中的計算機視覺應用。


              為什么全局快門圖像傳感器更適合計算機視覺?


              要弄清楚這個問題,首先我們需要知道和全局快門相對應的是什么技術?兩者的差別是什么?事實上,攝像頭總共就分為這兩種:卷簾快門和全局快門。


               

              為什么全局快門圖像傳感器更適合計算機視覺?


              圖 | 采用主動光源的全局快門與卷簾快門圖像傳感器對比


              卷簾快門的設計是為了捕捉靜態圖像和視頻拍攝,因此需要非常高的分辨率和顏色處理能力。我們身邊大多數攝像頭都屬于卷簾快門,比如智能手機的主攝像頭、自拍攝像頭、建筑中的監控攝像頭,甚至數碼相機都是采用卷簾快門技術。因為這些應用場景都需要捕捉彩色圖像,因此需要相當高的分辨率。


              但采用卷簾快門的計算機視覺技術都是逐行拍攝圖像的,整個圖像只有一幀,如果拍攝對象是車輛等快速移動的物體,拍出來的圖像就可能會發生扭曲,無法顯示物體的真實狀態,這種圖像是不能用于計算機視覺的,因為無法判斷圖像中的是不是另一輛車。所以,卷簾快門圖像傳感器并不適合被應用于計算機視覺技術中。


              相比卷簾快門而言,全局快門的原理完全不同,一次拍攝整幅圖像,拍攝時間非常短,只要拍攝對象不是快速移動的物體,成像效果就非常準確,因此可以用于計算機視覺。


              全局快門圖像傳感器可以賦能哪些行業?


              以在圖像領域已有超過二十年發展歷史的意法半導體的全局快門圖像傳感器產品為例,目前在消費和工業、智能家居和智能樓宇、筆記本和個人電腦、AI家電以及汽車領域有不少解決方案落地。


              ?    消費和工業用全局快門圖像傳感器


              在消費和工業領域,ST的全局快門圖像傳感器共有兩類產品:一類是VD55G0,像素40萬;另一類是VD56G3,像素150萬。兩種產品采用的都是ST 3D技術,最初的設計包括兩層陣列,之后ST將其合二為一形成單一陣列。


               

              為什么全局快門圖像傳感器更適合計算機視覺?


              圖 | ST消費和工業用全局快門圖像傳感器


              這類產品擁有三大優勢:第一點是在 940nm 處具有最高的量子效率,拍攝性能穩健;第二點是正方形傳感器分辨率與鏡頭匹配最佳,適合旋轉拍攝使用場景;第三點是拍攝時間很短,能夠在確保準確成像的同時降低系統功耗。


              除此之外,這類產品還擁有數據輸出功能,比如光流輸出,通過計算運動向量得出數據,從而實現手勢識別和追蹤。


              ?    智能家居和智能樓宇用全局快門圖像傳感器


              在智能家居和智能樓宇領域,人們并不希望家里有個攝像頭全天候監視自己,但又想要享受攝像頭和傳感器技術下協助功能帶來的舒適性,這時候采用基于全局快門圖像傳感器的計算機視覺開發的功能,通過追蹤技術就能實現人機交互,又能很好的保護隱私。


              ?    筆記本和個人電腦用全局快門圖像傳感器


              在筆記本和個人電腦中,可以采用全局快門圖像傳感器進行面部識別、手勢控制、眼動追蹤、舒適度監測和隱私保護,ToF和ALS可以進行存在檢測、電池續航、屏幕亮度自動調節和隱私保護。


              ?    AI家電用全局快門圖像傳感器


              計算機視覺技術基本上都需要感測、計算、通信這三步,具體來說,首先要有許多傳感器進行信息采集,包括ToF、IMU這些全局快門傳感器,然后要將信息傳至MCU這些AI深度學習算法得到產出,最后再將產出結果傳至無線設備。應用場景包括:條碼和二維碼掃碼、人臉識別、物體識別、人數統計、手勢識別和眼動跟蹤等。


              ?    汽車用全局快門圖像傳感器


              在汽車領域,車內傳感器主要包括四大類:車內攝像頭、ADAS攝像頭、觀測攝像頭和售后攝像頭,主要用于行車記錄儀。其中,2021年底車內攝像頭的市場滲透率約為10%,而到2024年就會達到50%,是一個發展迅速的新興市場。


               

              為什么全局快門圖像傳感器更適合計算機視覺?


              圖 | 2016-2026汽車用攝像頭穿透率
              圖源:YOLE,ST媒體會


              Euro NCAP作為車輛評估標準體系,曾將車內監控系統分為兩類:一類叫做駕駛員監控系統DMS,另一類叫做客艙監控系統CMS或者OMS。駕駛員監控系統觀測對象是司機,主要監控司機是否注意力集中,是否有分神或是打瞌睡??团摫O控系統主要觀測乘客狀況,特別是兒童,有些粗心的用戶下車后會將孩子忘在車內。


              駕駛員監控系統DMS攝像頭安裝在駕駛員面前,觀測對象主要是臉,鏡頭必須做得很大,大概50-60度,分辨率100-230萬,且需要采用NIR攝像頭(夜視需求)??团摫O控系統觀測的是車內所有乘員,但不同之處在于需要進行物體探測和識別,所以需要彩色圖像,而且觀測范圍比較寬廣,因此鏡頭視場角需要更大,分辨率需要更高,才能獲取觀測域內所有細節信息。


              目前,ST除了擁有用于DMS的第一代產品VD5661A(160萬分辨率)、VD5761A(230萬分辨率)和第二代產品VB56G4A(150萬分辨率)以外,還擁有第一代采用彩色RGB的VD6763A和RGB-NIR一體化的VD1762A。


              值得一提的是,第一代產品的特色是高對比度、靈活的RGB和NIR的數據管理,以及高動態;而第二代產品主要用于駕駛員監控,其特色是高靈敏度、小體積以及內置處理能力。


              全局快門圖像傳感器的下一步將走向何方?


              全局快門圖像傳感器技術正在不斷發展和變革,比如內建IP就是其中的一個關鍵的策戰略跟方向,在影像處理過程中,內建得越多,對整個系統的處理,客戶的方案設計上的壓力就會變小。而內建IP主要的側重點是芯片或者感應器本身基本能力的表現優化,比如自動曝光、光流和特定區塊優化ROI等。


              對于下一步技術和市場布局,意法半導體亞太區影像事業部技術市場高級經理張程怡表示:“ST在畫點和未來的影像技術上將側重四大方向展開,第一個是在現有的像素的開發技術上面持續的精簡;第二個是把功耗降低;第三個是把像素的尺寸持續的往下降,拉高銳度;第四個是內建的應用程序?!?/p>


               

              為什么全局快門圖像傳感器更適合計算機視覺?


              圖 | 市面上現有的ST標準傳感器開發評估套件


              當然,除了圖像傳感器等產品本身外,ST還同步推出了開發評估套件,方便客戶開發,縮短系統產品上市時間。此外,ST還可以交付裸片,客戶可以選擇第三方提供的封裝傳感器或者攝像頭模組,包括PCB、圖像傳感器、鏡頭和接口,共同構成整套工業用攝像頭產品供應鏈。


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