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3D 机器视觉,商用价值劲扬

本文作者:任苙萍       点击: 2020-09-10 15:06
前言:
3D 感测大厂、甫完成收购欧司朗 (OSRAM) 的艾迈斯半导体 (ams),在主动立体视觉 (ASV)、结构光 (SL) 与飞时测距 (ToF) 皆有布局。ams 台湾区总经理李定翰表示,现阶段结构光因有消费电子加持、出货量最大,工业应用则以立体视觉为主——预估不久后,外加一个投射器的 ASV 料将全面跃起;即使是全自动化的"关灯工厂",确认打件位置仍少不了 ASV 的辅助。ToF 则可视为长距离的结构光 (虽然分辨率远不如正统结构光),成长力道正在增强;以前影像拍摄只在乎单点距离,如今讲究的是"多区域"(Multi-Zone)、对比多层,意境已大不相同。
 
照片人物:ams 台湾区总经理李定翰

ToF 测算景深,画面生动、拉大可视距离
李定翰以数字单眼相机为例,虽然更换大光圈 (光学组件) 也能拍出景深,却无法随即再抓取平衡。此时,借助 ToF 演算便可达阵;且过去软件只能针对单帧影像修图,ToF 可提供很多信息让应用程序 (APP) 开发商利用,在直播中就可动态美化,例如,在位于画面中的两人"背后"营造某人走过的景象。工业应用因多为平面作业、且已知组件具体形象,实做上只须上/下二维运动、确定是否就定位即可,场景变动不大、毋需深度补偿,但日后料将逐渐加入深度信息,有助于拉大可视距离。3D 感测另一个应用是模具制作,一分钟就能完成扫描建模。

他补充说,ASV 不是做不到上述要求,惟组件组成过于繁复,无法塞到空间有限的光学感测器件中,而这正是 ToF 的魅力所在;动辄须>200 公尺的汽车应用,ToF 更是基本元素。李定翰回顾 3D 感测真正受瞩要归功于苹果手机的领航,吸引业界认真发想相关应用——机场将行李依材积大小分类便是一例。在航程中,行李堆栈必须把重的垫底或是将不规则对象置顶,以保持平稳飞行、避免挤压损坏,并最大化可用材积空间的效率。早先缺乏深度信息时,需要根据不同场景做补偿才能辨识;直到加入"红外线投光器"组件的 ASV 出现,终于有解!

ASV 不受环境光限制,判读更精确
李定翰解释,立体视觉是依两个摄影镜头拉出基线,控制撷取影像的灯光,目的是让左右视觉差 (阴影) 更明显,便于后续推算尺寸;但 ASV 是将红外光打进目标物,产生均匀光点且会随材积大小变化,判读更精确,不必再为环境光源伤神,商用较一般消费产品拥有更强的需求。ams 用于 3D 立体成像的点图案红外照明器"BELICE-SD",具备高对比度度点图案、高电光效率 (>90%) 及小尺寸封装特性,可实现快速准确的深度感应、低功耗,易于在移动/物联网/机器人各种平台上实施。
 
图1:ASV 借助额外光图样光投影,能克服目标物颜色、纹理或表面特征不明显的问题
资料来源:ams 提供

"原有立体视觉也能查看,但前提是对象本身要够立体、且环境不能太暗才能清楚分辨,就像平放于桌面的纸张,除非有翘曲或色调区隔明显,否则机器不易判别",李定翰强调。机器视觉的另一个挑战是:看很多对象时,是否能辨识出细微差异?提高镜头的分辨率是手段之一,但这会消耗更多演算和存储资源,负载重。李定翰提到,对企业来说,重要的是如何在效益、成本、应用场景之间取得平衡,最高规者不一定最好、也未必会成为主流。在彩色影像如此盛行的今天,安防监控之所以仍坚持采用黑白 CCD 摄像头,就是着眼于"影像补偿"。

CCD vs. CMOS?Rolling Shutter or Global Shutter?
李定翰指出,全天候的光源表现落差大,要撷取的要件特征也不同,当色阶接近时,彩色渲染成像 (render) 易被误认成同一色块,不如黑白影像突出、清晰。这也是为何安控业宁可提高黑白分辨率,也不愿改用 RGB 镜头的原因。至于 CCD vs. CMOS 镜头何者较佳?李定翰直言,工艺和供应链是两大决定要件,随着两者效能趋近,CMOS 工艺相对成熟、容易复制且底噪 (背景噪声) 小,在黑暗 (低光源) 环境较有优势;CCD 虽然调色范围较大,但光学堆栈和材料工艺复杂得多,当分辨率提升,要把偌大画素塞在同一个器件,噪声就令人头痛。

更遑论同等分辨率下,两者售价有天壤之别!成像技术也是关键,有卷帘快门 (Rolling Shutter) 和全局快门 (Global Shutter) 两种:前者感光组件是逐一线性扫描,后者是一次抓取整幅图像后再迭加,特别适合动态摄影。李定翰形容,全局快门拍摄风驰电掣的赛车时有瞬间凝结 (freeze) 效果,细节非常清楚;用于大量量产或打件速度快的工厂产线,可完美抓到每帧影像。例如,表面贴装 (SMT) 从模具倒出的组件位置、顺序不一,要让机器手臂捡起后顺利转向、放到卷带 (reel) 上,且后面的机器手臂可实时接棒,就得用 global 一眼扫过才来得及。
 
图2:ams 首款可集成于 3D/ASV 之高量子效率 (QE) CMOS 全局快门近红外 (NIR) 图像传感器 CGSS130,可实现高性能的脸部识别和 AR/VR 应用
资料来源:ams 提供

从"应用场景"切入,找到最佳解决方案
这在每秒须拍摄 120 帧图像的工业应用是必备条件。ams 很早就洞悉此趋势而着手并购相关厂,其所有 CMOS 皆是全局快门,且每个画素尺寸较同类产品大,意味着感光能力较佳、对环境光要求没那么严苛,亦即:同样分辨率下,画素 2μm 在低光源环境中的"视力"会优于 1μm。ams 的策略是针对客户的应用场景提供最佳方案,而非盲目向高规发展;再者,成像技术的选择与后续处理环环相扣,须做整体考虑。另一方面,为加速处理,上述 SMT 混线生产会将撷取到的 120 帧图像放在 CPU 暂存区。

近来业界兴起的整合式"智能相机",亦是仿效当初 PC 分散处理概念,既减轻中央主机的负载、又兼顾隠私和风险。李定翰认为,投资决策者 (客户) 最在意的其实是"某个时间点的性价比",通常比所谓数年后的投资报酬率更有说服力。因为:时间就是最大的变量,市场和技术随时有翻转可能。他透露,许多企业在评估投入成本时,会细拆成很多零碎的面向;如何在供应链中找到立足点,协助客户最大化效益、最小化成本,就挥棒得分了。供货商本身通过数据汇总 (Data aggregation) 不仅能赚取加工和时间所得,还能回头为自己精简工艺。

车用 3D 感测想象空间大
整体而言,机器视觉系统设计从镜头、滤光片、堆栈模块,每一层都是专业——操作场景?成本、重量、耐温?是否太厚重或有溢光、散光、绕射现象?例如,无人商店也会用到 3D 感测,但感测技术因用途而异。李定翰分析,辨识拿取、选购商品用 ToF 即可,ASV 可用来大范围侦测商场,判断商品的销售热度,而可细辨五官、穿着的高阶结构光,适合用于刷脸支付。他自评,光学组件与电子不同,需要长期累积,并购便成了立竿见影的快捷方式;逾二十年模拟组件经验加上先知的适时并购,正是 ams 成为手机厂首选 3D 传感器供货商的本钱。
 
图3:ams 新型 ToF 距离测量模块 TMF8801,可提供 2 公分~2.5 公尺的精确测量,让智慧手机相机的雷射检测"零距离"自动对焦
资料来源:ams 提供

放眼未来,ams 相当看好 3D 感测在汽车的应用。李定翰断言,就算车联网到位,有些需就地处理的突发事件仍十分需要光达 (LiDAR) 护持,两者将并行发展。光达系统乃经由发射激光脉冲来评估各种物体的反射光——根据 ToF 或反射的激光脉冲再次到达传感器所花费的时间,软件会计算到周围物体的距离,可并行处理许多激光脉冲,进而形成一个环境 3D 模型以识别碰撞障碍、道路标记、汽车、自行车骑士和行人的位置和动作。光脉冲发送和接收之间的时间,取决于光达系统和物体之间的距离,最简单的就是以"直接飞时测距"(dTOF) 测量。

不受光束转向制约,"固态光达"迅速崛起
李定翰剖析,不同波长、不同类型的光达,产业自会历经几番演进优化:置于车顶、360∘运转的机械光达仍有死角,且晃动大和极端环境温度将使组件可靠度备受考验,例如,天气太冷,马达轴承会半凝结,重新暖机需要时间恐造成空档,因而催生"固态光达"兴起。ams 自 2018 年携手 Ibeo 公司共同开发用于先进驾驶辅助系统 (ADAS) 的固态光达技术,近日宣布基于 ibeoNext 固态光达传感器将于今年 10 月向全球客户供样,拟于 2022 年量产。ams 强调,"固态光达没有移动的光束转向机制,无论在可靠度和复杂性皆略胜一筹"。

为解决投射光束发散及耦合性欠佳的问题,发散角度小的"垂直腔面發射激光器"(VCSEL) 是现阶段 ToF 主流红外光源 (参阅:《3D感测,你在意的是真相、速度 OR 距离?》http://compotech.com.cn/a/feature/catalog_feature/2019/0318/59797.html 一文);特别一提的是,ams 的 VCSEL 对单一发射器故障不会过于敏感、温度范围内稳定且易于整合,更适合用于扫描和闪光 (flash)。他们的 VCSEL 还能组合成发射器数组、易于扩展,且这些 VCSEL 数组具有极佳功率密度,允许寻址 (addressability) 或为晶粒的选择性区域供电,实现真正的固态拓朴。
 
图4:结合远程和高空间分辨率的精确度,是光达技术的关键优势
资料来源:ams 提供

简言之,ams VCSEL 数组功率密度、转换效率和间距方面表现出色,其 VCSEL 制造工艺为布局设计留有极大的灵活性,例如:像素数量、尺寸与间距,以及共阳极/阴极与特定行、列、段的可寻址模式。ams 还提供整合功能安全标准和人眼安全功能等强化功能,使可靠度再升级。最后李定翰重申,汽车售价区间大、成本结构亦不同,很多技术彼此非单纯竞争、而是竞合状态,一如短、中、长距的无线通信技术互补。只要有本事预见商机就有获利机会,当然,更高竿的是做"造市"领头羊;换个角度思考,最可怕的敌人,往往不是当前所见者。