【導(dǎo)讀】在高速視覺應(yīng)用的競(jìng)技場(chǎng)中，全局快門CMOS圖像傳感器扮演著關(guān)鍵角色。當(dāng)設(shè)計(jì)需要捕捉高速動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的方案時(shí)，僅僅關(guān)注分辨率或幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。傳感器的核心特性——尤其是其快門機(jī)制——直接決定了能否無失真地“凍結(jié)”瞬間。深入理解全局快門在高速環(huán)境下的優(yōu)勢(shì)，并權(quán)衡光學(xué)格式、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲表現(xiàn)（SNR）、像素架構(gòu)，乃至功耗、接口、HDR處理能力等綜合特性，是選擇真正匹配高速需求的圖像傳感器的必經(jīng)之路。
在高速視覺應(yīng)用的競(jìng)技場(chǎng)中，全局快門CMOS圖像傳感器扮演著關(guān)鍵角色。當(dāng)設(shè)計(jì)需要捕捉高速動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的方案時(shí)，僅僅關(guān)注分辨率或幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。傳感器的核心特性——尤其是其快門機(jī)制——直接決定了能否無失真地“凍結(jié)”瞬間。深入理解全局快門在高速環(huán)境下的優(yōu)勢(shì)，并權(quán)衡光學(xué)格式、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲表現(xiàn)（SNR）、像素架構(gòu)，乃至功耗、接口、HDR處理能力等綜合特性，是選擇真正匹配高速需求的圖像傳感器的必經(jīng)之路。
為了幫助篩選這些規(guī)格和功能，一個(gè)重要的考慮因素是傳感器的預(yù)期應(yīng)用。某些應(yīng)用需要非常高的分辨率來捕捉靜止物體，而另一些應(yīng)用則需要檢測(cè)快速移動(dòng)的物體，并能夠再現(xiàn)"定格"效果。另一個(gè)重要的應(yīng)用考慮因素是功耗要求。對(duì)于固定安裝情況下，傳感器的功耗可能并不重要。但在便攜式應(yīng)用中，傳感器必須使用電池工作，因此傳感器的能效變得至關(guān)重要。
在選擇傳感器時(shí)，最合適的出發(fā)點(diǎn)是應(yīng)用的速度，即物體移動(dòng)的速度。因?yàn)檫@將決定所需的快門類型。在數(shù)字圖像傳感器領(lǐng)域，主要只有兩種選擇：卷簾快門和全局快門。
圖像傳感器注意事項(xiàng)
卷簾快門
數(shù)字圖像傳感器是按行排列的像素陣列。使用卷簾快門圖像傳感器時(shí)，陣列中的每一行從陣列頂部到底部依次逐行曝光。換句話說，相鄰行的曝光時(shí)間略有不同（稱為行時(shí)間），相鄰行之間的時(shí)間差約為10 微秒。
與卷簾快門完全不同的是，全局快門同時(shí)曝光陣列中的每個(gè)像素。這些傳感器必須具備帶有"存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)"的像素，能夠在整個(gè)傳感器讀出過程中存儲(chǔ)電荷。卷簾快門和全局快門各有利弊。
與全局快門相比，卷簾快門更具成本效益且更易于實(shí)現(xiàn)。在全局快門傳感器中，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)容易受到雜光的影響，因此噪聲往往會(huì)更高。此外，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)位于像素旁邊，這給像素尺寸帶來了限制。與此相對(duì)應(yīng)，卷簾快門的缺點(diǎn)是在捕捉快速移動(dòng)物體時(shí)容易有運(yùn)動(dòng)偽影。
由于卷簾快門陣列采用按順序曝光的方式，因此在拍攝移動(dòng)物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)空間失真。同樣，由于陣列的不同區(qū)域是在不同時(shí)間（可能是在不同的光照條件下）拍攝的，它們還可能受到不相關(guān)光照的影響。
因此，卷簾快門陣列在捕捉移動(dòng)物體方面表現(xiàn)不佳，但在靜態(tài)的高分辨率應(yīng)用中卻是一個(gè)極佳的選擇。
全局快門
全局快門適用于卷簾快門表現(xiàn)不佳的場(chǎng)景，包括快速移動(dòng)的物體，尤其是高角速度的物體。全局快門表現(xiàn)出色的應(yīng)用包括增強(qiáng)視覺(AV)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、機(jī)器視覺(MV) 以及任何存在高振動(dòng)的環(huán)境，如條形碼掃描儀和機(jī)器人應(yīng)用。
全局快門還具有其他優(yōu)點(diǎn)：由于整個(gè)陣列是同時(shí)曝光的，因此全局快門可以直接與其他全局快門或光源（如閃光燈）同步。由于全局快門無需處理不相關(guān)的光照，因此也更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光控制。
全局快門性能考慮因素
評(píng)估全局快門性能的第一步是參考其已展示的指標(biāo)。在評(píng)估全局快門傳感器時(shí)，需要考慮以應(yīng)用為導(dǎo)向的指標(biāo)和以性能為導(dǎo)向的指標(biāo)。應(yīng)用導(dǎo)向指標(biāo)可幫助您選擇特定產(chǎn)品系列中適合特定應(yīng)用的傳感器，而性能導(dǎo)向指標(biāo)則可幫助您比較不同制造商的產(chǎn)品。
最簡(jiǎn)單的方法是從應(yīng)用導(dǎo)向指標(biāo)入手。由最終用途決定的五個(gè)主要指標(biāo)如下：
1. 分辨率
2. 光學(xué)格式
3. 全局快門效率（GSE）
4. 幀率
5. 功耗
這五項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)將根據(jù)最終用途的具體要求而有所不同。例如，一個(gè)高分辨率的應(yīng)用可能需要200萬像素（MP）的分辨率和1/2.8英寸的光學(xué)格式，而一個(gè)低分辨率的應(yīng)用可能只需要VGA分辨率和1/8英寸的光學(xué)格式。
幀率
幀率是以每秒幀數(shù)（frames per second, fps）來衡量的，它表示傳感器在一秒鐘內(nèi)可以拍攝的圖像數(shù)量。拍攝移動(dòng)較快的物體時(shí)需要較高的幀率，以避免模糊。
全局快門效率（GSE）
如上所述，GSE是一個(gè)比率，表示全局快門抑制雜光的能力。它通常是在特定波長(zhǎng)和光圈（f/stop）設(shè)置下指定的。數(shù)值越大表示性能越好。
能效
消費(fèi)類應(yīng)用中的低功耗優(yōu)化在開發(fā)中至關(guān)重要，尤其是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）頭戴設(shè)備等應(yīng)用。此外，自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）和手持式條碼掃描器也是工業(yè)領(lǐng)域用電池供電設(shè)備的幾個(gè)例子。通過提高這些設(shè)備的能效，可以顯著延長(zhǎng)其工作壽命，從而減少充電頻率并改善整體用戶體驗(yàn)。其余指標(biāo)以性能為導(dǎo)向，可用于比較不同制造商的產(chǎn)品。
信噪比(SNR)
信噪比以分貝（dB）為單位，并規(guī)定為一個(gè)最大值。它是衡量傳感器在微小（即低光）信號(hào)情況下性能的一種方法。數(shù)值越大，性能越好。信噪比最大值SNRmax真實(shí)反映了線性滿阱（linear full well，LFW），或者說基本上是一個(gè)像素所能捕捉到的光子數(shù)量。
動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍也以dB 為單位，表示最大可測(cè)量輸入信號(hào)與最小可測(cè)量輸入信號(hào)（即噪聲水平）之比。 它表示傳感器在同一場(chǎng)景中處理不同強(qiáng)度輸入信號(hào)的能力。分貝值越高越好。隧道是需要高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景的良好示例，因?yàn)樗淼纼?nèi)部可能較暗，而外部光線明亮。傳感器需要能夠適應(yīng)在同一場(chǎng)景中的這兩種情況。
除了性能指標(biāo)外，某些應(yīng)用可能要求傳感器具有某些特性，以便能夠執(zhí)行特定功能或具有獨(dú)特的能力。 并非所有的全局快門傳感器都具備這些功能。應(yīng)用的要求將決定需要哪些功能，以及可以考慮哪些傳感器。
同步傳感器
全局快門一次曝光整個(gè)傳感器陣列的優(yōu)點(diǎn)之一是，陣列曝光的瞬間可與其他事件（如其他傳感器和閃光燈）精確同步。
通過同步傳感器的"觸發(fā)"模式，可以控制閃光燈進(jìn)行精確的主動(dòng)照明，或?qū)Χ嗯_(tái)攝像頭進(jìn)行同步，以實(shí)現(xiàn)立體或?qū)捚聊慌臄z。
嵌入式自動(dòng)曝光
自動(dòng)曝光功能使得傳感器能夠根據(jù)給定的光照條件自動(dòng)控制增益和曝光。自動(dòng)曝光是傳感器適應(yīng)動(dòng)態(tài)光照條件的基本功能。
通過將這一功能直接嵌入到傳感器中，可以加快曝光控制，這樣就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)，而依賴主機(jī)控制則響應(yīng)速度較慢。對(duì)于大多數(shù)高速應(yīng)用來說，嵌入式自動(dòng)曝光是必不可少的。
場(chǎng)景切換
場(chǎng)景切換功能使傳感器能夠根據(jù)不同的分辨率、增益、曝光和幀率，快速切換設(shè)置，以適應(yīng)不同的成像場(chǎng)景。 在許多傳感器中，這些 "場(chǎng)景"都已存儲(chǔ)，并可在單個(gè)寄存器設(shè)置中動(dòng)態(tài)更改。
可編程和可切換的感興趣區(qū)（regions of interest，ROI）
圖像中的區(qū)域是相關(guān)的像素集合，主要用于物體解析。ROI使傳感器能夠通過過濾掉其他部分來聚焦于某個(gè)特定區(qū)域。這是一種優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和處理的方法。可編程的ROI 使實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用成為可能。
總結(jié)來說，應(yīng)用導(dǎo)向指標(biāo)、性能導(dǎo)向指標(biāo)和特定功能可以結(jié)合使用，以幫助從一系列傳感器中選擇特定的全局快門傳感器，并確定符合最終使用要求的傳感器制造商。
Hyperlux SG 系列全局快門傳感器
安森美（onsemi）開發(fā)了名為Hyperlux SG 的高性能小尺寸全局快門傳感器系列，產(chǎn)品包括ARX383、AR0145和AR0235。Hyperlux SG 系列傳感器將業(yè)界領(lǐng)先的全局快門效率（GSE）與低功耗操作相結(jié)合，是便攜式、高振動(dòng)應(yīng)用的理想之選。
圖 1 Hyperlux SG 圖像傳感器系列
Hyperlux SG系列采用了一種新穎且創(chuàng)新的全局快門像素設(shè)計(jì)，針對(duì)準(zhǔn)確、快速地捕捉運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。無論在弱光還是明亮的場(chǎng)景下，都能拍攝出清晰、低噪點(diǎn)的圖像。
Hyperlux SG 傳感器系列具有以下特性：
· 水平/垂直鏡像、窗口化和像素合并
· 可編程感興趣區(qū)域（ROI）
· 用于同步的片內(nèi)觸發(fā)模式
· 片上自動(dòng)曝光
· 內(nèi)置閃光燈控制
· 場(chǎng)景切換
· 跳行和跳列模式的靈活控制
傳感器組合的分辨率從VGA（640 x 480）到 230萬像素（1920 x 1200）不等，光學(xué)格式從1/8 英寸到1/2.8 英寸不等，幀率高達(dá)每秒120 幀，適用于各種高速成像應(yīng)用。每種規(guī)格與其他同類產(chǎn)品相比都具有優(yōu)勢(shì)，正是由于它們結(jié)合了卓越的性能和功能，才使得Hyperlux 系列傳感器在市場(chǎng)上獨(dú)樹一幟。這些傳感器非常適合高速應(yīng)用，包括條形碼掃描、機(jī)器視覺、AMR、AGV、AV/VR/MR、無人機(jī)和3D 掃描。
圖 2. Hyperlux SG 應(yīng)用領(lǐng)域
為了促進(jìn)產(chǎn)品教育和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還提供了一個(gè)全面的開發(fā)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)開發(fā)。它包括完整的測(cè)試功能，可在設(shè)計(jì)前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，并提供在設(shè)計(jì)階段使用的參考設(shè)計(jì)。
全局快門傳感器是高速圖像應(yīng)用的最佳選擇。一旦選擇了快門類型，仍有多種規(guī)格和功能可供選擇，以確保傳感器適合預(yù)期應(yīng)用。
在評(píng)估全局快門傳感器時(shí)，必須始終牢記的一個(gè)重要考慮因素是全局快門效率（GSE）。 如果沒有足夠高的GSE，所有其他規(guī)格加在一起仍可能在圖像中產(chǎn)生不可接受的運(yùn)動(dòng)偽影。針對(duì)要求低功耗、高性能和高GSE 的應(yīng)用，安森美開發(fā)了Hyperlux SG 系列全局快門傳感器。
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