工業(yè)攝影機(jī)強(qiáng)化支持機(jī)器視覺(jué)

工業(yè)攝影機(jī)制造商一直都面臨著設(shè)計(jì)出更小尺寸產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。機(jī)器視覺(jué)攝影機(jī)與消費(fèi)型攝影機(jī)解決方案不同，尤其是工廠自動(dòng)化攝影機(jī)必須符合嚴(yán)格的成套標(biāo)準(zhǔn)和要求。這些要求主要包括低光源下的表現(xiàn)、為達(dá)高速生產(chǎn)/響應(yīng)所需的高幀率需求、對(duì)鏡頭和傳感器的優(yōu)異光學(xué)質(zhì)量要求，以及適合工業(yè)應(yīng)用的防水性和其他特定具長(zhǎng)期可靠性的需求。此外，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也常須支持復(fù)雜的工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)，如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking， TSN）、GigE Vision和CoaXPress等。

機(jī)器視覺(jué)對(duì)攝影機(jī)要求嚴(yán)苛

機(jī)器視覺(jué)攝影機(jī)應(yīng)用，常要求使用比消費(fèi)型應(yīng)用更大、效能更高的組件。例如影像傳感器的大小——不同于畫(huà)素分辨率——是直接與攝影機(jī)的光量成正比，因此更大的傳感器通?？商峁└鼉?yōu)異的影像質(zhì)量。另一方面，高分辨率傳感器也會(huì)產(chǎn)生更精細(xì)的影像，同時(shí)需要更高的幀率才能加快影像擷取速度，進(jìn)而加快生產(chǎn)線或機(jī)器人的運(yùn)作速度。這樣高分辨率和更快速的傳感器能產(chǎn)生高畫(huà)素?cái)?shù)據(jù)速率，進(jìn)一步提升圖像處理流程的作業(yè)負(fù)載（圖1）。

除了感測(cè)、處理和優(yōu)化影像之外，攝影機(jī)還必須支持機(jī)器視覺(jué)攝影機(jī)常用的高速接口，如GigE Vision、USB3 Vision、CoaXPress、Camera Link和Camera Link HS等（圖2），也必須在帶寬、纜線長(zhǎng)度、成本和復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。與普通消費(fèi)型產(chǎn)品相比，工業(yè)攝影機(jī)還必須符合更嚴(yán)格的安全性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)（表1）。例如，大多數(shù)工業(yè)攝影機(jī)都提供至少三年保固期（不過(guò)一般使用時(shí)間能長(zhǎng)于三年）、能在寬溫范圍下運(yùn)作（通常為-40到+85°C），且須通過(guò)多家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，如ISO、TUV、RoHS和CE等。

此外，工業(yè)攝影機(jī)用戶也提出越來(lái)越多功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全要求，尤其當(dāng)這些攝影機(jī)已成為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分，且有人員在系統(tǒng)中工作的時(shí)候。

攝影機(jī)的光學(xué)組件，即鏡頭系統(tǒng)，也對(duì)攝影機(jī)的大小極具影響力。其類似于傳感器，較大的鏡頭一般能為攝影機(jī)系統(tǒng)擷取更多的光，而采用更高質(zhì)量的鏡頭材料和更復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)也能達(dá)到這個(gè)效果。選擇鏡頭時(shí)需要考慮的其他因素還包含光圈、焦距、具體的鏡頭安裝兼容性、波長(zhǎng)需求，以及與選擇的影像傳感器的匹配性。

這些需求與普通消費(fèi)型手機(jī)相機(jī)鏡頭有很大差別。例如，許多消費(fèi)者都傾向于每?jī)赡旮鼡Q新手機(jī)，因此手機(jī)相機(jī)鏡頭使用壽命明顯較短。為將成本控制在手機(jī)總物料清單（Bill of Materials， BOM）的可接受占比之內(nèi)，相機(jī)成本嚴(yán)格受限。盡管智能型手機(jī)的發(fā)展終結(jié)了上世紀(jì)90年代的最小尺寸手機(jī)競(jìng)賽，但制造商仍面臨著繼續(xù)保持手機(jī)相機(jī)（傳感器和光學(xué)組件）輕薄的壓力。

除了成本、尺寸和使用壽命，消費(fèi)型攝影機(jī)的其他要求也不同于工業(yè)攝影機(jī)。最重要的是能夠獲取「高畫(huà)質(zhì)」影像，至少對(duì)普通的手機(jī)使用者而言是如此，并且可能要考慮人眼的特定偏好，例如應(yīng)該擷取最精準(zhǔn)的色彩或是讓用戶的自拍照更好看。

工業(yè)攝影機(jī)尺寸功耗受限

攝影機(jī)在工廠中的典型使用模式是機(jī)器視覺(jué)攝影機(jī)，負(fù)責(zé)檢查在自動(dòng)化生產(chǎn)在線通過(guò)的產(chǎn)品。不過(guò)如今的工廠對(duì)效能、速度、安全與保障提出了更高的要求?，F(xiàn)代工業(yè)攝影機(jī)必須在不加大尺寸、不增加功耗或成本的情況下滿足這些功能。機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）正越來(lái)越被工廠廣泛使用，因此攝影機(jī)必須能夠部署經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，進(jìn)而比人工更快、更準(zhǔn)確地自動(dòng)分類、檢測(cè)或細(xì)分對(duì)象的特性（如圖3）。攝影機(jī)能檢查食品飲料、幫助機(jī)器人選取和迭放包裝箱、確保正確地為藥物貼上標(biāo)簽，以及在廢棄物管理設(shè)施內(nèi)分類回收再利用的物料。

圖3：YantraVision開(kāi)發(fā)的棉花雜質(zhì)分類系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)攝影機(jī)也被逐漸用于工廠外的用途。工業(yè)攝影機(jī)是能實(shí)現(xiàn)包裹快遞、旅店服務(wù)、倉(cāng)儲(chǔ)管理、建筑、農(nóng)業(yè)、清潔和許多其他應(yīng)用所使用的自主移動(dòng)型機(jī)器人（Autonomous Mobile Robot， AMR）的主要技術(shù)，如圖4。毋庸置疑，AMR作為移動(dòng)型系統(tǒng)，對(duì)低功耗和尺寸有嚴(yán)格的要求。即使在工廠內(nèi)，機(jī)器人也必須與工作人員密切協(xié)作運(yùn)行，而使機(jī)器視覺(jué)攝影機(jī)的尺寸和功耗受到限制。

圖像處理亦面對(duì)創(chuàng)新壓力

機(jī)器視覺(jué)攝影機(jī)如同消費(fèi)型攝影機(jī)一樣，分辨率也在不斷提升。索尼（Sony）的高階機(jī)器視覺(jué)影像傳感器的分辨率現(xiàn)在可達(dá)到2，500萬(wàn)和3，100萬(wàn)畫(huà)素；佳能（Canon）則推出一款2.5億畫(huà)素的工業(yè)影像傳感器。在傳感器的類型和擷取的光數(shù)據(jù)方面也持續(xù)創(chuàng)新。傳統(tǒng)攝影機(jī)采用以硅為基礎(chǔ)的CMOS技術(shù)，用紅、綠、藍(lán)（RGB）畫(huà)素優(yōu)化可見(jiàn)光成像。但是在許多應(yīng)用中，其他類型的傳感器能提供更優(yōu)異、更強(qiáng)大的功能。例如偏光（Polarization）傳感器能「看穿」水和倒影，短波紅外線（Short-wave Infrared， SWIR）傳感器能偵測(cè)和透視特定材料（如圖5），而熱傳感器能擷取溫度數(shù)據(jù)而非可見(jiàn)光數(shù)據(jù)。由于Covid-19帶來(lái)的篩檢需求，溫度測(cè)量應(yīng)用近期備受關(guān)注。

圖5：可見(jiàn)光與SWIR檢查的對(duì)比

如今對(duì)攝影機(jī)的要求已遠(yuǎn)不止于將傳感器數(shù)據(jù)處理成可見(jiàn)或可用的影像。機(jī)器學(xué)習(xí)正被越來(lái)越多地運(yùn)用于打造智能工廠和AI系統(tǒng)。它們經(jīng)過(guò)快速訓(xùn)練后，能夠判斷產(chǎn)品是否符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，或者經(jīng)過(guò)再次訓(xùn)練后，能組合成新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。盡管網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)肯定可以使用云端資源來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存和影像分析，但基于帶寬、安全和延遲等現(xiàn)實(shí)考慮也要求在邊緣完成圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)，例如在智慧AI攝影機(jī)中。

這不僅需要?jiǎng)?chuàng)新的攝影機(jī)傳感器，也需要?jiǎng)?chuàng)新的圖像處理流程。標(biāo)準(zhǔn)的影像訊號(hào)處理器（Image Signal Processor， ISP）通常針對(duì)傳統(tǒng)的RGB CMOS傳感器進(jìn)行優(yōu)化，尤其是為大量應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，例如消費(fèi)型手機(jī)、無(wú)人機(jī)、平板計(jì)算機(jī)等。而正如前文所介紹，工業(yè)應(yīng)用則代表大量不同的使用案例和技術(shù)，雖然存在特定的標(biāo)準(zhǔn)（如MIPI、GigE Vision和PCI Express等接口標(biāo)準(zhǔn)），但對(duì)攝影機(jī)的要求可能大相徑庭。

InFO封裝Zynq UltraScale+

盡管自我調(diào)適操作數(shù)件如多重處理器系統(tǒng)單芯片（MPSoC）提供的運(yùn)算效能和靈活應(yīng)變性獲得工業(yè)攝影機(jī)開(kāi)發(fā)人員的青睞，但在過(guò)去一般采用具數(shù)百個(gè)針腳的較大尺寸封裝。例如，在初始版本中，Zynq UltraScale+ ZU2CG/EG和ZU3CG/EG等MPSoC的最小封裝尺寸是484針腳、間距0.8mm的19×19mm覆晶（Flip-chip）球門陣列（Ball Grid Array， BGA）。

如今這兩款MPSoC現(xiàn)在已具備采用較小尺寸的封裝。藉由臺(tái)積電（TSMC）的整合扇出型（Integrated Fan-Out， InFO）封裝技術(shù)，在不減少I/O或影響效能的前提下，大幅縮小封裝尺寸至9.5×16mm。InFO封裝消除了傳統(tǒng)芯片規(guī)模封裝（Chip Scale Packaging， CSP）的基板，實(shí)現(xiàn)更小、更薄的高密度互連封裝。

在InFO封裝中，Zynq MPSoC僅占用不到一半的電路板空間，而且厚度也顯著減少，從2.41mm減少到0.644mm。鑒于工業(yè)應(yīng)用要求的某些新外形尺寸，所有尺寸（長(zhǎng)、寬、高）都至關(guān)重要。這兩款組件的InFO封裝版本比最初版本尺寸縮小60%、厚度減少70%（如圖6）。

類似InFO這樣的高芯片面積與封裝面積比（Die Area-to-package Area Ratio， DPR）的封裝要求縮小錫球間距，因而需要印刷電路板（Printed Circuit Board， PCB）提供兼容能力。對(duì)于使用InFO的設(shè)計(jì)而言，產(chǎn)業(yè)常規(guī)作法是采用以邊緣連結(jié)（Edge Bonding）的高密度互連（High Density Interconnect， HDI）PCB或環(huán)繞封裝的板級(jí)底部填充（Underfill），以提供極為顯著的優(yōu)勢(shì)。InFO在小外形尺寸封裝中可提供最優(yōu)秀的熱效能，同時(shí)藉由節(jié)省面積和實(shí)現(xiàn)出色的運(yùn)算密度以降低產(chǎn)品的總成本。

此外，廠商新提供的ZU1型號(hào)進(jìn)一步縮小封裝尺寸并降低功耗。另外，ZU1也為現(xiàn)有的該兩款組件帶來(lái)了可遷移的封裝選項(xiàng)。這意味著工程師既可選擇最大的可擴(kuò)展性（既有非InFO封裝設(shè)計(jì)），又可選擇最小的尺寸（表2）。

微型化組件縮小體積不減效能

位于加拿大的Richmond Lucid Vision Labs推出一種名為Triton Edge的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)攝影機(jī)，便是以緊湊型工業(yè)產(chǎn)品中InFO封裝的Zynq MPSoC為基礎(chǔ)。為了滿足29×44×45mm的尺寸要求，需要最小巧、最高效的組件。該公司的工程師設(shè)計(jì)出了一種創(chuàng)新的柔剛（Flex-rigid）板架構(gòu)，能將大量的組件封裝在緊湊的IP67攝影機(jī)外殼中。

Triton Edge的柔剛板設(shè)計(jì)結(jié)合此系統(tǒng)單芯片的InFO封裝，能夠提供更進(jìn)階的攝影機(jī)控制與客制化，同時(shí)保持?jǐn)z影機(jī)輕便小巧的外形尺寸。OEM業(yè)者不必依賴攝影機(jī)制造商的SDK，也無(wú)需在主機(jī)PC上開(kāi)發(fā)和執(zhí)行編碼，藉由創(chuàng)建含AI推論在內(nèi)的客制化FPGA圖像處理流程，就能在攝影機(jī)上開(kāi)發(fā)自己的IP。

除了緊湊型攝影機(jī)，InFO封裝的MPSoC也適用于任何同時(shí)需要自我調(diào)適運(yùn)算能力和小巧尺寸的應(yīng)用，包括可攜式醫(yī)療設(shè)備、手持測(cè)試設(shè)備、軍用雷達(dá)等。

新款I(lǐng)nFO封裝的微型化Zynq UltraScale+ MPSoC，可給予視覺(jué)、醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)備制造商更佳的效能功耗比，為緊湊型外形尺寸攝影機(jī)提供智能、分辨率和速度，超越以往1080p乃至720p分辨率和30fps的限制。這些新產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)包括客制化圖像處理、應(yīng)用專用加速和AI加速以及工業(yè)級(jí)生命周期、可靠性、安全性在內(nèi)的廣泛工業(yè)效能。采用臺(tái)積電InFO封裝的微型化MPSoC，能進(jìn)一步幫助工業(yè)攝影機(jī)制造商拓展客制化圖像處理、AI加速和其他靈活應(yīng)變功能的應(yīng)用，使之融入最小巧的攝影機(jī)和其他緊湊型工業(yè)產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷