誰將成為未來機器視覺應用領域的王者?

無處不在的機器視覺

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

變聰明的無人機有什麼秘技嗎？答案就是有了機器視覺技術的加持。通過機器視覺技術，無人機不但能感知障礙物，還能知道自己和障礙物的距離，實現精準的避障和繞障。

機器視覺的概念源自於機器人領域，美國機器人工業協會對其定義為：「通過光學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於控制機器人運動的裝置。」

機器視覺常以完整系統形式出現，通常可劃分為光學成像、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器視覺系統近幾年的大發展。

（圖片來源於騰訊視頻：思特威Global Shutter技術與前沿機器視覺應用視頻）

正是有了CMOS圖像傳感器，機器視覺早已不再是工業自動化領域的專屬名詞並已經輕鬆融入了我們的生活當中，因此也有了「消費級機器視覺」這一新興領域及概念。比如，進入很多家庭的掃地機器人，配備了機器視覺技術，可以徹底清掃衛生死角。小巧便捷的翻譯筆，因機器視覺技術，可以讀懂多種語言。而工業自動化生產線上，依然使用機器視覺系統自動完成高度精密的自動化製造及對不良產品的檢測等。

而隨著AI應用的廣泛落地，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。連商場裡也不乏智能互動電子屏、智能穿衣鏡等基於AI及機器視覺的交互類智能視頻設備的身影。

總體來看，CMOS圖像傳感器已藉由「消費級機器視覺」的紐帶與我們的生活完美契合在了一起。

（圖片來源於騰訊視頻：思特威Global Shutter技術與前沿機器視覺應用視頻）

CMOS傳感器的新崛起

CMOS是當今主流的圖像傳感器技術之一，與之對應的是曾經的霸主CCD圖像傳感器。

1970年，CCD圖像傳感器在Bell實驗室發明，CMOS圖像傳感器在NASA的噴氣推進實驗室JPL製造成功。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，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、性價比高等優勢，但是在初期由於相對較差的性能和較大的像素尺寸，並沒有得到重視。後來隨著工藝製程水平的不斷提高，CMOS圖像傳感器才逐漸開始展現出CCD圖像傳感器不具有的優勢，在圖像傳感器領域的市場攻城略地。時至今日，手機、相機已經全部淪為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。進入21世紀後，隨著機器視覺在工業自動化、無人機、智能家電中的應用，CMOS圖像傳感器又迎來了新一輪的發展浪潮。

因為機器視覺的應用特性，CMOS圖像傳感器面臨新的挑戰。如果以前只是要求成像細緻、色彩鮮豔的話，現在則要求快速捕捉（高幀率），無形變（全局快門）和非可見光下成像（近紅外增強技術）。畢竟，這次服務的對象從人換成了機器。

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，這對機器視覺的領域有重大意義。

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）傳感器均為捲簾快門，因而會在拍攝高速運動的物體時產生「果凍效應」造成物體嚴重變形，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的圖像傳感器設計公司，思特威在2017年就以前瞻性的眼光開始布局其GS技術的研發，並於2018年就發布了全球首款基於BSI像素工藝的商業級30萬像素GS CMOS圖像傳感器——SC031GS，成為率先進入「消費級機器視覺」應用領域的CIS企業先鋒。

該產品創造性地將BSI像素設計工藝與GS圖像傳感器設計巧妙結合在一起，提供信噪比更佳、靈敏度更高與動態範圍更大的成像性能，可應用於智能讀碼器設備、無人機、智能模組（Gesture Recognition/ vSLAM/ Depth Information/ Optical Flow）等諸多圖像識別類AI應用領域，而GS CMOS傳感器也迎來了無比寬廣的發展空間。

戰略眼光成就GS傳感器新貴

作為圖像傳感器領域的前沿，GS CMOS傳感器的研發成為了業界關注的焦點。尤其是，高解析度的GS CMOS設計和生產門檻都很高。

可喜的是，以思特威為代表的中國高新CIS企業已經在這個領域佔據了先機。就在前不久舉行的SPM 2020思特威合作夥伴大會上，思特威創始人兼董事長兼CEO徐辰博士指出，除了在安防應用領域繼續保持領先的市場份額外，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穫佳績，在消費級機器視覺領域出貨量躍居全球首位！面對這樣的市場成績，思特威並未停下對GS技術進階創新的腳步。在SPM 2020大會上徐辰博士繼而發布了思特威2nd Gen SmartGS 技術，通過提升pixel size來增加感度和暗光效果，提升率可達30%，另一方面採用並行電壓域讀取，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。據介紹，該技術基於全新的電容工藝，其讀取噪聲可降低一倍以上，同時兼具區域 HDR技術，可大大提升特定位置的動態範圍，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的研發已經在路上，預計將在明年和大家見面。

在尖端GS技術的加持下，思特威今年陸續推出了數款賦能不同機器視覺應用領域的GS產品。如賦能智能駕艙DMS系統的全新130W像素全局快門圖像傳感器——SC133GS，採用2.7μm像素及1/4″光學尺寸，憑藉思特威領先的GS技術優勢，可以為DMS系統及時提供無形變、無偽影的高清可識別影像，為系統進行及時精確的判斷提供堅實的基礎，有效監測駕駛員駕駛狀態，保障行車安全。

（圖片來源於思特威SC133GS產品發布新聞）

而在智能交通系統（ITS）應用領域，思特威今年亦發布了SC410GS，該產品採用400萬的BSI像素結合全局快門技術，可精準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對車牌的精準捕捉及高效識別。而在SPM 2020大會上，思特威也現場展示了SC410GS覆蓋2-4車道的ITS實際應用演示影像，博得了來賓的一致肯定。

而後續，思特威還將發布面向ITS應用更高解析度的SC910GS（即900萬BSI與GS技術結合產品）以及在信噪比、高溫成像、近紅外增強及HDR上全性能升級的SC035HGS（mono/color）產品，賦能更多AI及消費級機器視覺應用終端。

結語

隨著硬體方案的不斷成熟和運算能力的提升，機器視覺在多個領域應用的廣度和深度均在提高。作為核心部件的GS CMOS傳感器，在設計和工藝不斷改進的條件下，還將繼續推動機器視覺的應用在各個領域進一步普及，並為人們的生活帶來更多智能與美好。

（校對/範蓉）