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。現(xiàn)在的無人機(jī)則完全可以騰挪躲閃，及時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，實現(xiàn)精準(zhǔn)的避障和繞障。

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物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運動的裝置?！?/p>

機(jī)器視覺常以完整系統(tǒng)形式出現(xiàn)，通?？蓜澐譃?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/4854/" target="_blank">光學(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實驗室發(fā)明，CMOS圖像傳感器在NASA的噴氣推進(jìn)實驗室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。

因為機(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傳感器同時曝光來擷取不失真的運動物體圖像，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掃描圖像的整個區(qū)域。在GS傳感器中，使用所有像素同時捕獲圖像。

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動的物體時產(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在同一時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)計工藝與GS圖像傳感器設(shè)計巧妙結(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。尤其是，高分辨率的GS CMOS設(shè)計和生產(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年就布局的消費級Global Shutter圖像傳感器市場今年亦收獲佳績，在消費級機(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)行及時精確的判斷提供堅實的基礎(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。

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