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板級相機(jī)｜用“小”視覺方案解決大視覺挑戰(zhàn)

2023/1/16 17:06:41

嵌入式系統(tǒng)需要外形緊湊且重量輕的成像方案。由于嵌入式系統(tǒng)本身潛在的尺寸限制，很難再增添到相機(jī)系統(tǒng)中。但是，有些相機(jī)選項具有更輕巧、更簡約的設(shè)計。

工業(yè)相機(jī)通常有保護(hù)外殼，將相機(jī)裝入空間狹小的視覺系統(tǒng)時可能會遇到問題。如果根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計已經(jīng)預(yù)先確定了需要安裝相機(jī)的尺寸，那么對于許多設(shè)備來說，安裝帶外殼的相機(jī)可能會有點難度。此外，對于許多采用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，由于機(jī)械和電氣設(shè)備的限制，重量成為了一個關(guān)鍵的考慮因素。

盡管在某些情況下，探索定制外殼的OEM選項或找到一種方法去除一部分相機(jī)外部材料以減小尺寸可能會有用，但板級相機(jī)是一種更簡單且更具成本效益的方法來克服這些挑戰(zhàn)。無需增加外殼重量，也無需縮小尺寸（將傳感器暴露在PCB上），相機(jī)可適應(yīng)通常不適合的許多應(yīng)用。本文檔將介紹板級相機(jī)在視覺系統(tǒng)中發(fā)揮作用的各種原因、板級相機(jī)的應(yīng)用，并探討市場上可用的板級相機(jī)選項。

板級相機(jī)設(shè)計

重量輕

通過比較大限度地減少相機(jī)的構(gòu)成材料，視覺系統(tǒng)可以減少移動相機(jī)或其他附加組件所需的工作量。板級相機(jī)非常適合有重量限制的應(yīng)用或使用內(nèi)部電源移動相機(jī)的應(yīng)用。電池供電的設(shè)備是一個很好的例子，可以說明減輕重量如何通過延長電池壽命來改善應(yīng)用，從而增加成像時間。

外形緊湊

與拆除外殼減輕重量類似，板級相機(jī)也可以釋放大量空間。許多應(yīng)用可能有預(yù)先設(shè)計，這些設(shè)計只能容納特定尺寸的視覺系統(tǒng)。因此，無需額外材料、更輕薄的設(shè)計可以將相機(jī)安裝到更緊湊的空間中。選擇板級相機(jī)可以讓更多應(yīng)用不斷添加比較新的成像技術(shù)，而不影響整體尺寸。

要充分了解板級相機(jī)所能帶來的優(yōu)勢，請看OEM制造商的情況。能夠在不需要對外殼或機(jī)身進(jìn)行改動的情況下集成相機(jī)，是Teledyne Lumenera生產(chǎn)新系列板級相機(jī)的主要目標(biāo)之一。許多OEM視覺系統(tǒng)已經(jīng)有了一個整體產(chǎn)品的外殼，無需再為相機(jī)本身提供一層保護(hù)。通過減少所需材料，也可以減少整個視覺系統(tǒng)的重量和尺寸。圖1表明板級相機(jī)顯然具有比較緊湊和比較輕薄的設(shè)計。

圖1｜Teledyne Lumenera相機(jī)與右側(cè)板級相機(jī)的尺寸比較

應(yīng) 用

航空成像

尺寸、重量和功率限制（SWaP）通常是某個相機(jī)無法安裝到無人機(jī)上的原因。由于這些限制，較大尺寸的相機(jī)一直阻礙航空成像應(yīng)用提高成像性能。因此，板級相機(jī)的設(shè)計應(yīng)考慮無人機(jī)的使用，以更小的尺寸提供高性能的成像功能。

與無人機(jī)一起使用的板級相機(jī)具備一些實用性很強(qiáng)的設(shè)計考慮。例如，連接器在側(cè)面的板級相機(jī)允許相機(jī)占用更少的垂直空間。與背面的傳統(tǒng)連接器不同，這種放置方式便于在設(shè)備內(nèi)堆疊組件。通過將板級相機(jī)放置在另一個組件下方而不是讓電線產(chǎn)生間隙，航空成像系統(tǒng)可以采用更緊湊的設(shè)計。視覺系統(tǒng)尺寸的比較如圖2所示，上面顯示的是連接器在背面的全尺寸帶外殼的相機(jī)，下面顯示的是連接器在側(cè)面的板級相機(jī)。

圖2｜帶外殼的較大相機(jī)和板級相機(jī)在無人機(jī)成像方面的視覺比較

尺寸通常也會影響重量。板級相機(jī)的小巧設(shè)計有助于減少無人機(jī)等成像系統(tǒng)的負(fù)載。電池供電的無人機(jī)設(shè)計需要通過減輕重量來增加飛行時間。無人機(jī)越重，電機(jī)就越需要工作以產(chǎn)生足夠的飛行推力。因此，無人機(jī)將不得不使用更多的電力，所以耗電更快，從而減少了整體飛行時間和系統(tǒng)可以捕獲的圖像數(shù)量。

在航空成像方面，少即是多。從上方拍攝大面積區(qū)域時，更容易獲得穩(wěn)定的地面圖像。這意味著不需要對大量運動進(jìn)行成像，從而使視覺系統(tǒng)在較低幀率下正常工作。Teledyne Lumenera Lt系列板級相機(jī)的幀率范圍為22-162fps，可為各種航空成像應(yīng)用提供靈活性。

憑借小巧的外形尺寸，板級相機(jī)可用于多相機(jī)同步。如需從鳥瞰角度對大面積區(qū)域進(jìn)行成像，使用多臺較小的相機(jī)比使用單臺大相機(jī)來提高水平分辨率更實惠。如需了解如何優(yōu)化航空成像性能相關(guān)的更多信息，請閱讀白皮書《在航空成像中使用單臺相機(jī)還是多臺相機(jī)》。

便攜式/手持式設(shè)備

當(dāng)需要搬運視覺系統(tǒng)時，擁有比較緊湊的系統(tǒng)可能決定設(shè)計的成敗。如果沒有足夠小的視覺組件，設(shè)備可能不適合移動使用。對于Teledyne Lumenera而言，適配緊湊型設(shè)計從一開始就是開發(fā)具有板級支持的相機(jī)系列的主要原因。用于各類環(huán)境的手持式視覺系統(tǒng)將極大地受益于這種極小的相機(jī)設(shè)計，因為它將直接影響視覺系統(tǒng)的易用性和使用舒適度，并且重量更輕、尺寸更小。

開發(fā)便攜式或手持式視覺系統(tǒng)的比較大障礙通常是光學(xué)元件。即使板級相機(jī)具有如此輕薄的外形尺寸，大尺寸鏡頭（如長焦鏡頭）也會增加產(chǎn)品的重量和體積。因此，比較大限度地減少視覺系統(tǒng)的整體占用空間能讓相機(jī)鏡頭有更多的選擇。由于鏡頭不能做得更小，所以擁有一個更小的相機(jī)，如板級相機(jī)，可以起到很大的作用。此外，通過使用板級相機(jī)，還可以使用各種鏡頭安裝選項。靈活性的提高有助于確保視覺系統(tǒng)能夠采用合適的鏡頭。

針對短距離可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸，USB3相機(jī)是不錯的選擇。與笨重的相機(jī)接口不同，USB3相機(jī)具有非常輕的支持硬件，提供了許多節(jié)省空間的選項。為了比較大限度地減少布線占用的空間，可購買一根帶有90度USB連接器的USB3數(shù)據(jù)線，如圖1所示，與Lt系列板級相機(jī)進(jìn)行連接。

戶外成像

戶外成像應(yīng)用中，太陽光線會不斷變化。光線不斷變化的問題是，沒有一種濾光片方案可以考慮到戶外成像可能出現(xiàn)的所有不同類型的條件。因此，需要考慮的比較重要的事情之一是，在光線不斷來自不同方向并投下獨特陰影的情況下，相機(jī)將如何準(zhǔn)確捕捉細(xì)節(jié)。

動態(tài)范圍是指相機(jī)識別高亮光和陰影細(xì)節(jié)的能力。高動態(tài)范圍是指能夠從明亮和黑暗區(qū)域保留大量細(xì)節(jié)的能力。動態(tài)范圍值以分貝表示，單位為dB。由于動態(tài)范圍是對相機(jī)所能捕捉到的亮度的比較低值到比較高值的測量，因此動態(tài)范圍越高越好，因為這代表了相機(jī)可以捕獲圖像的環(huán)境范圍更大。低動態(tài)范圍和高動態(tài)范圍之間的對比如圖3所示，其中細(xì)節(jié)和顏色在高動態(tài)范圍內(nèi)更清晰。此外，如需了解更多有關(guān)如何計算動態(tài)范圍及其與信噪比和滿阱容量的關(guān)系的信息，請閱讀博文《對比相機(jī)的同時了解動態(tài)范圍和信噪比》。

圖3｜動態(tài)范圍的比較

生命科學(xué)

由于病人和各種專業(yè)設(shè)備的高需求，診所空間有限，選擇安裝緊湊型設(shè)備會有很大的幫助。此外，醫(yī)學(xué)成像設(shè)備通常采用臺式設(shè)計。

在尺寸方面，板級相機(jī)的設(shè)計與許多外形尺寸和外殼兼容，以確保輕松集成到醫(yī)療設(shè)備中。醫(yī)療設(shè)備的尺寸通常在規(guī)劃階段就已經(jīng)確定，這導(dǎo)致成像設(shè)備缺乏靈活性。這意味著大型相機(jī)解決方案將無法通過討論，因為如果無法將相機(jī)安裝在設(shè)備中，性能再好也無關(guān)緊要。

與類似尺寸的相機(jī)模塊競爭時，板級相機(jī)可直接替代許多尋求圖像質(zhì)量升級的成像解決方案。板級相機(jī)模塊通常只是一個裸相機(jī)，但合適的板級相機(jī)可添加額外的設(shè)計選擇，幫助相機(jī)集成到視覺系統(tǒng)中。其中包括更輕薄的設(shè)計、側(cè)面裝的連接器和多種鏡頭類型選項。

TELEDYNE LUMENERA LT系列板級相機(jī)

某些視覺系統(tǒng)需要更緊湊、更輕便的解決方案，而這些是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)相機(jī)無法提供的。幸運的是，Teledyne Lumenera Lt系列板級相機(jī)（如圖4所示）配備了強(qiáng)大的傳感器技術(shù)，包括Sony?全局快門Pregius?和卷簾快門Starvis? CMOS傳感器。擁有像素在200至2000萬不等的多種板級相機(jī)型號，可以滿足各種成像應(yīng)用需求。這些相機(jī)在設(shè)計時考慮到了嵌入式系統(tǒng)，其背面平齊，電纜連接器在側(cè)面，以比較大限度地減少視覺系統(tǒng)所需的空間。

圖4｜Teledyne Lumenera Lt系列板級相機(jī)

緊湊成像的鏡頭選項

鏡頭不再局限于單一的安裝類型。由于Lt系列板級相機(jī)設(shè)計，相機(jī)不包含鏡頭接口。因此，根據(jù)用戶終添加到視覺系統(tǒng)的接口類型，可以使用多種類型的鏡頭。C、CS和S（M12）鏡頭接口均可用于想要利用小尺寸優(yōu)勢的嵌入式系統(tǒng)。C接口和CS接口鏡頭的示例如圖5所示。S接口鏡頭是一個不錯的選擇，因為其物理結(jié)構(gòu)較小，所以往往要便宜得多。

圖5—C接口（左）和CS接口鏡頭（右）

外型輕薄，設(shè)計堅固

與傳統(tǒng)工業(yè)相機(jī)不同，Lt系列板級相機(jī)沒有堅固的外殼。相反，這些輕薄的相機(jī)具有小巧的外形，可比較大限度地延長視覺系統(tǒng)的總長度。同時也沒有犧牲工業(yè)相機(jī)所需的堅固設(shè)計元素。為保護(hù)Lt系列板級相機(jī)上的PCB和電子元件，Teledyne Lumenera使用工業(yè)級連接器將兩塊板固定在一起，以連接傳感器板與USB3接口。這為輕量化設(shè)計提供了工業(yè)級解決方案。

安裝堅固的連接器增加了航空成像等工業(yè)應(yīng)用的價值。知道相機(jī)能夠防止強(qiáng)烈振動，意味著相機(jī)可向上移動至高海拔高度，而無需擔(dān)心環(huán)境條件影響圖像采集的完整性。為了進(jìn)一步改善航空成像，Teledyne Lumenera還提供了一種訂購選項，可在相機(jī)PCB板上涂上保形涂料，以防潮。博文“利用保形涂料保護(hù)航空成像設(shè)備”中詳細(xì)介紹了保形涂料。

側(cè)裝式連接器易于安裝

對于許多應(yīng)用來說，相機(jī)的尺寸是一大賣點。與連接器裝在背面的典型工業(yè)相機(jī)設(shè)計不同，板級相機(jī)的連接器安裝在側(cè)面，允許相機(jī)背面平放在其他組件上。在需要更小整體尺寸的成像系統(tǒng)中，采用板級相機(jī)允許使用17.1mm薄的相機(jī)（比較薄14.1mm）以減少視覺系統(tǒng)占用的物理空間，如圖6所示。

圖6｜Lt系列板級相機(jī)的緊湊尺寸

Lt系列板級相機(jī)還有用于側(cè)面安裝連接器的多個可選位置。連接器可以放置在任何一側(cè)，包括左側(cè)、右側(cè)、頂部或底部。對于航空成像等應(yīng)用，視覺系統(tǒng)可使用立體成像技術(shù)，兩臺相機(jī)并排，甚至有兩臺以上的相機(jī)，可將接線放置在任何一側(cè)以比較大限度地減少干擾。這種鏡頭和接線部置的靈活性是整體設(shè)計選擇的基礎(chǔ)，使Lt系列板級相機(jī)成為強(qiáng)大的成像解決方案，適用于許多不同的應(yīng)用。

靈敏度更高的新傳感器

TELEDYNE LUMENERA LT系列板級相機(jī)產(chǎn)品線采用了Sony的Starvis傳感器。搭載Sony全新低成本的Pregius傳感器，板級相機(jī)還結(jié)合了市場上比較高靈敏度和小尺寸的特點。每次升級，Starvis傳感器的靈敏度都在不斷提高，與類似尺寸的傳感器相比也是如此。

全局快門相機(jī)可與板級相機(jī)一起使用，但對于快速移動的對象也并非障礙的應(yīng)用，Lt系列板級相機(jī)也有更實惠的卷簾快門選項，具有非常高的靈敏度，證明對弱光環(huán)境更有用。背照式傳感器顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計理念。Sony的Starvis傳感器系列將成像傳感器的光電二極管層轉(zhuǎn)移到傳感器的金屬布線上方。通過將光電二極管置于上層，更大范圍的入射光線可以激發(fā)傳感器并產(chǎn)生更亮的圖像。在傳統(tǒng)前照式傳感器中，金屬線位于光電二極管上方，阻擋了一些進(jìn)入傳感器的光線，如圖7所示，圖中可以看到背照式傳感器的示意圖，允許更多光線到達(dá)光電二極管并提高相機(jī)靈敏度。