二維碼閱讀系統(tǒng)要求非常快速的幀擷取圖像以避免拖影現(xiàn)象。這需要盡可能短的曝光時間。另一方面,要獲得最大景深(depth of field ,DOF) 或掃描范圍,往往會使用非常小光學(xué)孔徑(一般時F/8或更小)的鏡片。能夠進(jìn)入圖像傳感器像素的非常小數(shù)目的光子結(jié)合很短的集成時間,意味著可以在低亮度應(yīng)用中進(jìn)行條形碼閱讀(見圖5)。而全局快門也有利于閱讀移動的條形碼。

影響終端閱讀器性能的主要傳感器參數(shù)因而特別適用于條形碼閱讀應(yīng)用。圖 4 列出了一些主要的傳感器/條形碼閱讀性能要求,并展示出Snappy傳感器系列作為專門應(yīng)用CMOS圖像傳感器范例的優(yōu)勢。

圖4:Snappy面向條形碼掃描功能的主要規(guī)格

* 每6至8°C溫升下的暗信號兩倍增幅

信噪比

輻照(光子/像素)

圖 5: Snappy 傳感器的低亮度信噪比為減小系統(tǒng)照明光學(xué)能耗和成本提供優(yōu)勢

溫升的影響

如果仔細(xì)一點(diǎn)觀察在25°C的溫度下,各種構(gòu)成噪聲參數(shù)的組件之間的差異,以及這些組件在>65°C 溫升時的狀況,某些組件的參數(shù)表現(xiàn)有局限性,在傳感器選擇過程中應(yīng)予以考慮溫升的影響。空間行列固定的讀出噪聲是條形碼閱讀的其中一個特別重要參數(shù)。考慮到固定模式噪聲的形狀與直線和橫線相似,它們?nèi)菀着c條形碼產(chǎn)生混淆,或會在圖像中的條形碼讀取時加入錯誤的信息。

Snappy系列圖像傳感器使用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝,在25°C時只有少數(shù)暗信號光子,而即便在65°C也只測出每秒77個光子。這有助于行和列的內(nèi)嵌固定模式噪聲消除算法,即便在高工作溫度,也能實(shí)現(xiàn)只有幾個百分比的固定模式噪聲。

極低的讀出噪聲(結(jié)合時間和空間元素)典型數(shù)值為3個光子。即便在高溫環(huán)境下也不會惡化。如果傳感器在高溫下性能下降,那意味著需要更多的照明,簡介提高了系統(tǒng)成本。 

獨(dú)有的黑白+彩色像素濾鏡模式 — 結(jié)合黑白和彩色像素的低亮高靈敏度數(shù)據(jù)的優(yōu)勢

傳感器可以使用有彩色像素以便于加入附加的對象/標(biāo)簽辨識功能,提供更多安全功能以避免假冒(spoofing)或條形碼本身不能閱讀的情況。不過,因?yàn)椴噬珎鞲衅鞯挠袡C(jī)彩色濾鏡的較低傳送特性,以及需要結(jié)合紅綠藍(lán)三色像素來制造“彩色”像素,這意味著相比于單色的圖像傳感器,彩色禪觀棋有較低空間分辨率和較低靈敏度。Teledyne-e2v的Jade圖像傳感器是一個有趣的創(chuàng)新,它使用單色像素,但在每四個單色像素加入一個彩色像素。這樣就能保存閱讀條形碼至關(guān)重要的空間分辨率和靈敏度,同時讓較低分辨率的彩色圖像被同時擷取。

圖6:創(chuàng)新色彩感測應(yīng)用無需對閱讀性能作出折衷

創(chuàng)新嵌入式應(yīng)用專有功能

實(shí)現(xiàn)快速(Snappy) 條形碼閱讀不單是幀讀出率的結(jié)果。雖然固定噪聲是一個限制因素, 但Snappy傳感器未有為此作出妥協(xié)。該傳感器提供8 bit位深接近每秒120幀的出色性能。獨(dú)有的通電模式確保器件在信噪比規(guī)格下擷取第一個圖像(或快速自曝光亞圖像)時已處于通電或候命狀態(tài)。這并不是一般車月手或面向其它應(yīng)用的全局快門CMOS傳感器的標(biāo)準(zhǔn)功能,因?yàn)檫@意味著在完全穩(wěn)定和達(dá)到數(shù)據(jù)表標(biāo)明的信噪比功能數(shù)值前,系統(tǒng)必需棄置多個全幀圖像。 這一獨(dú)有的通電后首幀閱讀能力能夠?yàn)橄鄼C(jī)提供差異化因素,實(shí)現(xiàn)最高速條形碼閱讀,向終端用戶提供“快拍”式掃描,為企業(yè)實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)能。以下將介紹在Snappy 傳感器系列中,Teledyne-e2v 成像團(tuán)隊(duì)發(fā)明的兩個最具創(chuàng)新性的專利功能:它們經(jīng)設(shè)計(jì)用于 終端產(chǎn)品掃描的超高速條形碼閱讀、辨認(rèn)和解碼應(yīng)用。

1.快速自曝光(Fast Self Exposure,FSE) 模式(用於Snappy 2MP 和 5MP CMOS 傳感器):

快速自曝光模式允許在變化光線下優(yōu)化曝光時間 (見圖7)。相較于傳統(tǒng)的自動曝光模式,FSE帶來更多融合時間和強(qiáng)大功能的優(yōu)勢,包括完全使用者編程并向終端用戶提供穩(wěn)定快速閱讀優(yōu)勢,自適應(yīng)任何光源或動態(tài)光源環(huán)境,而且對幀率幾乎沒有影響。

圖7:用于條形碼閱讀和所有機(jī)器視覺應(yīng)用的新型片上自動曝光方法

專利的FSE模式使用了多個片上部件實(shí)現(xiàn)以下功能:

(a) 獨(dú)有的縱向模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)允許在連續(xù)的行段設(shè)定4個不同的曝光時段,然后在整個陣列重復(fù),產(chǎn)生4個具有不同曝光數(shù)值的低分辨率圖像。這一功能也可以用作一種強(qiáng)大的高動態(tài)范圍影像擷取功能。

(b) 橫向增量亞采樣,最大值1/64線

(c)  片上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包含飽和像素數(shù)值,并同時提供一個16-bin直方圖輸出,可以在圖像注腳直接讀取開啟中的幀或區(qū)域的數(shù)據(jù)

(d) 取景窗口(ROI)模式可支持FSE子幀,多區(qū)域,以及區(qū)域中區(qū)域

(e) 精細(xì)控制可使用直方圖數(shù)值、平均值和二者的組合

(f) 可編程緩沖器提供直觀的使用者控制和設(shè)定

這些功能為終端應(yīng)用帶來掃描速度的優(yōu)勢,因?yàn)镕SE模式一般只使用小于10%的幀時段。其他CMOS傳感器的傳統(tǒng)嵌入式自動曝光控制(AEC)使用漸近技術(shù),避免閃爍(flashing)并提供目標(biāo)圖像,使得圖像融合速度較慢。在整個過程會耗費(fèi)大量幀幅,使得速度不能配合條形碼閱讀應(yīng)用的要求。

圖8:利用智能取景窗口(Smart_ROI)功能檢測圖像傳感器上多個移動中的條形碼

2. 智能取景窗口(Smart ROI)模式 (用于Snappy  5MP 傳感器):

智能取景窗口(Smart ROI) 使用片上算法來偵側(cè)圖片上的一個或多個條形碼。而條形碼解碼圖像處理系統(tǒng)需要把載有條形碼的范圍與其余的部份分別出來,從而對有用的部分進(jìn)行處理。這一工作一般是在FPGA或CPU上進(jìn)行,因?yàn)檫@一任務(wù)需要大量的閘/實(shí)時時鐘(RTC)和處理能力,導(dǎo)致額外的高成本,以及選擇處理引擎時所遇到復(fù)雜技術(shù)限制。

把這一條形碼偵測功能嵌入傳感器中,能夠?qū)崿F(xiàn)整體成本節(jié)省,這不單是因?yàn)樘幚矸矫娴拈_銷顯著減小,還有是由于任務(wù)在傳感器內(nèi)完成,無需通過其它數(shù)字信號端加工處理,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性優(yōu)勢。在有效幀中偵測到的一維碼或二維碼在將會以區(qū)塊形式,并加上X/Y坐標(biāo)作為圖像注腳區(qū)域(不可見)的可讀信息的一部分。傳感器可同時偵測多個區(qū)域(或條形碼),也可以偵測其它編碼,例如是在光學(xué)文字辨識應(yīng)用(OCR)中閱讀印刷字符。即便是在條形碼/對象/相機(jī)正在移動的應(yīng)用中,這一功能仍然能夠有效工作。

顯著的成本節(jié)省和系統(tǒng)簡化是主要的優(yōu)勢。5MP傳感器主要用于高端條形碼應(yīng)用,這是因?yàn)樗栎^大的鏡頭和更強(qiáng)的處理能力配合去進(jìn)行5MP實(shí)時圖像處理/解碼工作,抵銷了更大掃描范圍或面積所提供的主要優(yōu)勢。不過, Snappy系列傳感器的小像素以及由片上智能取景窗口帶來的處理開銷節(jié)省,能夠?qū)崿F(xiàn)更小系統(tǒng)級成本。由于其低功耗和在單幀幅辨識多個條形碼符號的能力,使得該產(chǎn)品正成為高分辨率傳感器的市場動力,在電商物流行業(yè)更是明顯的優(yōu)勢。

快速自曝光和智能取景窗口功能可以同時在Snappy 5MP傳感器上工作,以確保在環(huán)境光線不斷變化的環(huán)境下,仍然能夠提供快速強(qiáng)大的操作能力。

Snappy傳感器系列經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化,滿足低成本,低功耗的系統(tǒng)需求。前文也曾提及的傳感器片上處理數(shù)據(jù),工作性能可顯著提高。雖然不僅滿足條形碼閱讀應(yīng)用和市場,同時滿足其它類型的機(jī)器視覺(MV)應(yīng)用,包括查驗(yàn)、測量、光學(xué)字符辨識等等,也可以通過Snappy 傳感器的性能和嵌入式功能獲益。其它適用范圍包括嵌入式視覺系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備、無人機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、生物特征系統(tǒng)等等。

圖9: Snappy傳感器系列適用于其它機(jī)器視覺、智能物聯(lián)網(wǎng)和其它工業(yè)計(jì)算視覺應(yīng)用

Snappy傳感器集成鏡頭和先進(jìn)基于微電機(jī)的自動對焦提供附加價值

消費(fèi)級相機(jī)光學(xué)模塊并不適用于B2B工業(yè)應(yīng)用的嚴(yán)苛長時間工作環(huán)境。另外,舉個例子,用于條形碼閱讀的鏡頭一般有專門的性能和光學(xué)特性,需要最大的工作距離,而諸如光學(xué)調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF)等光學(xué)像差需要最小化,以便于有效地對特征尺寸比奈奎斯特頻率還要小的條形碼進(jìn)行解碼。集成了強(qiáng)大的Snappy圖像傳感器和高性能鏡頭的MIPI光學(xué)模塊(MOM) 能夠提高系統(tǒng)的價值并節(jié)省開發(fā)時間和成本。

圖10:使用集成定焦鏡頭和Snappy 傳感器的MIPI光學(xué)模塊(MOM)

MIPI光學(xué)模塊 是嵌入式視覺應(yīng)用的理想解決方案,它允許某程度上使用訂制鏡頭,為20mm x 20mm的小型模塊提供出色的性能和靈活性。Teledyne-e2v 現(xiàn)在向終端用戶提供首個2MP MIPI光學(xué)模塊樣品,并且計(jì)劃推出5MP版本,以及強(qiáng)大而輕量、基于微電機(jī)技術(shù)的2MP 自動對焦版本。自動對焦的最大優(yōu)勢在于相較定焦光學(xué)系統(tǒng),它允許使用更大光學(xué)孔徑來實(shí)現(xiàn)同級或更佳的掃描范圍或工作距離,但需要顯著地小的照明功耗。未來的2MP MIPI光學(xué)模塊將為工業(yè)成像應(yīng)用提供更多性能/或成本改進(jìn)。新產(chǎn)品的詳細(xì)內(nèi)容將于2020年中公布。不過現(xiàn)在已有一個使用嶄新開環(huán)‘多焦’功能的評估平臺,能夠提供最大工作范圍和最大幀率,并具有可用于現(xiàn)存Snappy 2MP示范套件的MEMS自動對焦組件。

圖11:電子商務(wù)的爆發(fā)性成長促成了對CMOS傳感器要求和功能的新趨勢和變革

電商的爆發(fā)性成長帶來的新趨勢和變革

電子商務(wù)的爆發(fā)性成長帶來的巨大雙位數(shù)年復(fù)合增長率(CAGR)目標(biāo)(每年大于25%) ,不單為物流中心運(yùn)營帶來變革,也為傳統(tǒng)的實(shí)體零售點(diǎn)提供保障。零售市場正在面對巨大轉(zhuǎn)變,需要提供更好的客戶體驗(yàn)并通過使用無人自動‘自助掃描’系統(tǒng)來縮短結(jié)賬時間。這些系 統(tǒng)的成功關(guān)鍵不單在于可靠的條形碼辨識和解碼能力,還有是需要更多使用彩色成像器件的更精細(xì)的對象辨認(rèn)任務(wù)。

如要全面實(shí)現(xiàn)高成長潛力,首要條件是要實(shí)現(xiàn)更高速度或更高產(chǎn)能的掃描儀和相機(jī)。具有寬畫面的更高分辨率傳感器將允許更快的閱讀速度并實(shí)現(xiàn)更大表面積讀碼(在同一圖像包含多個包裹和條形碼),以至在未來在單個傳感器覆蓋整個倉庫區(qū)域。

關(guān)于圖像傳感器,我們看到柔性傳感器技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢,它能夠減小外部光學(xué)組件的復(fù)雜性并減省諸如鏡片繞射極限等現(xiàn)有關(guān)于小像素的一些限制。這一發(fā)展可提供 兩個優(yōu)勢,一是簡化并節(jié)省光學(xué)本,二是允許2.5μ以下的小像素?zé)o需減小MTF仍然達(dá)到鏡片光學(xué)繞射極限。

 在倉庫應(yīng)用中,對于一個小包的以及掃描小包上的條形碼的需求,往往源于不斷增長的電商分發(fā)中心的效率目標(biāo)。每一平方厘米的存儲和運(yùn)送空間都要實(shí)現(xiàn)最大化應(yīng)用。要對貨件實(shí)現(xiàn)整個運(yùn)送和供應(yīng)鏈的三維尺寸監(jiān)控,以至于通過二維碼閱讀相關(guān)編碼/文字標(biāo)簽,現(xiàn)需要使用兩個單獨(dú)的相機(jī),一個用于三維(大部分使用結(jié)構(gòu)光源或基于三維技術(shù)的立體化視覺),而另一個則使用非互聯(lián)的二維相機(jī)。

現(xiàn)在的研究重點(diǎn)在于研發(fā)一個二維和三維兼具的CMOS傳感器,可以同時提供傳統(tǒng)的二維影像和三維點(diǎn)云(point cloud)。Teledyne-e2v致力為這些新市場范圍提供尖端領(lǐng)導(dǎo)技術(shù),并已制訂能夠配合下世代相機(jī)和成像系統(tǒng)的未來產(chǎn)品路線圖和知識產(chǎn)權(quán),使得相關(guān)技術(shù)夠聚焦應(yīng)用專有需求,相信不用很久,便可預(yù)見到新的產(chǎn)品問世。