面向工業(yè)條形碼閱讀器應用的低成本高性能圖像傳感器

二維碼閱讀系統要求非?？焖俚膸瑪X取圖像以避免拖影現象。這需要盡可能短的曝光時(shí)間。另一方面,要獲得最大景深(depth of field ,DOF) 或掃描范圍,往往會(huì )使用非常小光學(xué)孔徑(一般時(shí)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目的光子結合很短的集成時(shí)間,意味著(zhù)可以在低亮度應用中進(jìn)行條形碼閱讀(見(jiàn)圖5)。而全局快門(mén)也有利于閱讀移動(dòng)的條形碼。

影響終端閱讀器性能的主要傳感器參數因而特別適用于條形碼閱讀應用。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(zhuān)門(mén)應用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照明光學(xué)能耗和成本提供優(yōu)勢

溫升的影響

如果仔細一點(diǎn)觀(guān)察在25°C的溫度下,各種構成噪聲參數的組件之間的差異,以及這些組件在>65°C 溫升時(shí)的狀況,某些組件的參數表現有局限性,在傳感器選擇過(guò)程中應予以考慮溫升的影響?？臻g行列固定的讀出噪聲是條形碼閱讀的其中一個(gè)特別重要參數?？紤]到固定模式噪聲的形狀與直線(xiàn)和橫線(xiàn)相似,它們容易與條形碼產(chǎn)生混淆,或會(huì )在圖像中的條形碼讀取時(shí)加入錯誤的信息。

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

極低的讀出噪聲(結合時(shí)間和空間元素)典型數值為3個(gè)光子。即便在高溫環(huán)境下也不會(huì )惡化。如果傳感器在高溫下性能下降,那意味著(zhù)需要更多的照明,簡(jiǎn)介提高了系統成本。 

獨有的黑白+彩色像素濾鏡模式 — 結合黑白和彩色像素的低亮高靈敏度數據的優(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(guò),因為彩色傳感器的有機彩色濾鏡的較低傳送特性,以及需要結合紅綠藍三色像素來(lái)制造“彩色”像素,這意味著(zhù)相比于單色的圖像傳感器,彩色禪觀(guān)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(gè)有趣的創(chuàng )新,它使用單色像素,但在每四個(gè)單色像素加入一個(gè)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(shí)讓較低分辨率的彩色圖像被同時(shí)擷取。

圖6:創(chuàng )新色彩感測應用無(wú)需對閱讀性能作出折衷

創(chuàng )新嵌入式應用專(zhuān)有功能

實(shí)現快速(Snappy) 條形碼閱讀不單是幀讀出率的結果。雖然固定噪聲是一個(gè)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。獨有的通電模式確保器件在信噪比規格下擷取第一個(gè)圖像(或快速自曝光亞圖像)時(shí)已處于通電或候命狀態(tài)。這并不是一般車(chē)月手或面向其它應用的全局快門(mén)CMOS傳感器的標準功能,因為這意味著(zhù)在完全穩定和達到數據表標明的信噪比功能數值前,系統必需棄置多個(gè)全幀圖像。 這一獨有的通電后首幀閱讀能力能夠為相機提供差異化因素,實(shí)現最高速條形碼閱讀,向終端用戶(hù)提供“快拍”式掃描,為企業(yè)實(shí)現更高產(chǎn)能。以下將介紹在Snappy 傳感器系列中,Teledyne-e2v 成像團隊發(fā)明的兩個(gè)最具創(chuàng )新性的專(zhuān)利功能:它們經(jīng)設計用于 終端產(chǎn)品掃描的超高速條形碼閱讀、辨認和解碼應用。

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(xiàn)下優(yōu)化曝光時(shí)間 (見(jiàn)圖7)。相較于傳統的自動(dòng)曝光模式,FSE帶來(lái)更多融合時(shí)間和強大功能的優(yōu)勢,包括完全使用者編程并向終端用戶(hù)提供穩定快速閱讀優(yōu)勢,自適應任何光源或動(dòng)態(tài)光源環(huán)境,而且對幀率幾乎沒(méi)有影響。

圖7:用于條形碼閱讀和所有機器視覺(jué)應用的新型片上自動(dòng)曝光方法

專(zhuān)利的FSE模式使用了多個(gè)片上部件實(shí)現以下功能:

(a) 獨有的縱向模數轉換器(ADC)允許在連續的行段設定4個(gè)不同的曝光時(shí)段,然后在整個(gè)陣列重復,產(chǎn)生4個(gè)具有不同曝光數值的低分辨率圖像。這一功能也可以用作一種強大的高動(dòng)態(tài)范圍影像擷取功能。

(b) 橫向增量亞采樣,最大值1/64線(xiàn)

(c)  片上統計數據包含飽和像素數值,并同時(shí)提供一個(gè)16-bin直方圖輸出,可以在圖像注腳直接讀取開(kāi)啟中的幀或區域的數據

(d) 取景窗口(ROI)模式可支持FSE子幀,多區域,以及區域中區域

(e) 精細控制可使用直方圖數值、平均值和二者的組合

(f) 可編程緩沖器提供直觀(guān)的使用者控制和設定

這些功能為終端應用帶來(lái)掃描速度的優(yōu)勢,因為FSE模式一般只使用小于10%的幀時(shí)段。其他CMOS傳感器的傳統嵌入式自動(dòng)曝光控制(AEC)使用漸近技術(shù),避免閃爍(flashing)并提供目標圖像,使得圖像融合速度較慢。在整個(gè)過(guò)程會(huì )耗費大量幀幅,使得速度不能配合條形碼閱讀應用的要求。

圖8:利用智能取景窗口(Smart_ROI)功能檢測圖像傳感器上多個(gè)移動(dòng)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(lái)偵側圖片上的一個(gè)或多個(gè)條形碼。而條形碼解碼圖像處理系統需要把載有條形碼的范圍與其余的部份分別出來(lái),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,因為這一任務(wù)需要大量的閘/實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和處理能力,導致額外的高成本,以及選擇處理引擎時(shí)所遇到復雜技術(shù)限制。

把這一條形碼偵測功能嵌入傳感器中,能夠實(shí)現整體成本節省,這不單是因為處理方面的開(kāi)銷(xiāo)顯著(zhù)減小,還有是由于任務(wù)在傳感器內完成,無(wú)需通過(guò)其它數字信號端加工處理,實(shí)現系統性能和穩定性?xún)?yōu)勢。在有效幀中偵測到的一維碼或二維碼在將會(huì )以區塊形式,并加上X/Y坐標作為圖像注腳區域(不可見(jiàn))的可讀信息的一部分。傳感器可同時(shí)偵測多個(gè)區域(或條形碼),也可以偵測其它編碼,例如是在光學(xué)文字辨識應用(OCR)中閱讀印刷字符。即便是在條形碼/對象/相機正在移動(dòng)的應用中,這一功能仍然能夠有效工作。

顯著(zhù)的成本節省和系統簡(jiǎn)化是主要的優(yōu)勢。5MP傳感器主要用于高端條形碼應用,這是因為它需較大的鏡頭和更強的處理能力配合去進(jìn)行5MP實(shí)時(shí)圖像處理/解碼工作,抵銷(xiāo)了更大掃描范圍或面積所提供的主要優(yōu)勢。不過(guò), Snappy系列傳感器的小像素以及由片上智能取景窗口帶來(lái)的處理開(kāi)銷(xiāo)節省,能夠實(shí)現更小系統級成本。由于其低功耗和在單幀幅辨識多個(gè)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(chǎng)動(dòng)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(shí)在Snappy 5MP傳感器上工作,以確保在環(huán)境光線(xiàn)不斷變化的環(huán)境下,仍然能夠提供快速強大的操作能力。

Snappy傳感器系列經(jīng)過(guò)設計優(yōu)化,滿(mǎn)足低成本,低功耗的系統需求。前文也曾提及的傳感器片上處理數據,工作性能可顯著(zhù)提高。雖然不僅滿(mǎn)足條形碼閱讀應用和市場(chǎng),同時(shí)滿(mǎn)足其它類(lèi)型的機器視覺(jué)(MV)應用,包括查驗、測量、光學(xué)字符辨識等等,也可以通過(guò)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(jué)系統、物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備、無(wú)人機、增強現實(shí)、生物特征系統等等。

圖9: Snappy傳感器系列適用于其它機器視覺(jué)、智能物聯(lián)網(wǎng)和其它工業(yè)計算視覺(jué)應用

Snappy傳感器集成鏡頭和先進(jìn)基于微電機的自動(dòng)對焦提供附加價(jià)值

消費級相機光學(xué)模塊并不適用于B2B工業(yè)應用的嚴苛長(cháng)時(shí)間工作環(huán)境。另外,舉個(gè)例子,用于條形碼閱讀的鏡頭一般有專(zhuān)門(mén)的性能和光學(xué)特性,需要最大的工作距離,而諸如光學(xué)調制轉換函數(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) 能夠提高系統的價(jià)值并節省開(kāi)發(fā)時(shí)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(jué)應用的理想解決方案,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 現在向終端用戶(hù)提供首個(gè)2MP MIPI光學(xué)模塊樣品,并且計劃推出5MP版本,以及強大而輕量、基于微電機技術(shù)的2MP 自動(dòng)對焦版本。自動(dòng)對焦的最大優(yōu)勢在于相較定焦光學(xué)系統,它允許使用更大光學(xué)孔徑來(lái)實(shí)現同級或更佳的掃描范圍或工作距離,但需要顯著(zhù)地小的照明功耗。未來(lái)的2MP MIPI光學(xué)模塊將為工業(yè)成像應用提供更多性能/或成本改進(jìn)。新產(chǎn)品的詳細內容將于2020年中公布。不過(guò)現在已有一個(gè)使用嶄新開(kāi)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,并具有可用于現存Snappy 2MP示范套件的MEMS自動(dòng)對焦組件。

圖11:電子商務(wù)的爆發(fā)性成長(cháng)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(cháng)帶來(lái)的新趨勢和變革

電子商務(wù)的爆發(fā)性成長(cháng)帶來(lái)的巨大雙位數年復合增長(cháng)率(CAGR)目標(每年大于25%) ,不單為物流中心運營(yíng)帶來(lái)變革,也為傳統的實(shí)體零售點(diǎn)提供保障。零售市場(chǎng)正在面對巨大轉變,需要提供更好的客戶(hù)體驗并通過(guò)使用無(wú)人自動(dòng)‘自助掃描’系統來(lái)縮短結賬時(shí)間。這些系 統的成功關(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的對象辨認任務(wù)。

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

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

 在倉庫應用中,對于一個(gè)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(cháng)的電商分發(fā)中心的效率目標。每一平方厘米的存儲和運送空間都要實(shí)現最大化應用。要對貨件實(shí)現整個(gè)運送和供應鏈的三維尺寸監控,以至于通過(guò)二維碼閱讀相關(guān)編碼/文字標簽,現需要使用兩個(gè)單獨的相機,一個(gè)用于三維(大部分使用結構光源或基于三維技術(shù)的立體化視覺(jué)),而另一個(gè)則使用非互聯(lián)的二維相機。

現在的研究重點(diǎn)在于研發(fā)一個(gè)二維和三維兼具的CMOS傳感器,可以同時(shí)提供傳統的二維影像和三維點(diǎn)云(point cloud)。Teledyne-e2v致力為這些新市場(chǎng)范圍提供尖端領(lǐng)導技術(shù),并已制訂能夠配合下世代相機和成像系統的未來(lái)產(chǎn)品路線(xiàn)圖和知識產(chǎn)權,使得相關(guān)技術(shù)夠聚焦應用專(zhuān)有需求,相信不用很久,便可預見(jiàn)到新的產(chǎn)品問(wèn)世。