隨著當今更低成本和更高性能的工業(yè)相機的趨勢，對CMOS圖像傳感器也提出了更高的要求，需要通過設(shè)計系統(tǒng)級芯片（SoC）來實現(xiàn)這一目標。為實現(xiàn)該目標，需通過3D芯片堆棧和背照(back side illuminated ，BSI)技術(shù)，把多個圖像處理任務(wù)集成到單一器件中。在未來將會出現(xiàn)具有精密的機器學(xué)習(xí)和專有的智能計算芯片結(jié)合圖像擷取功能的解決方案，創(chuàng)造出緊湊的高速運算視覺系統(tǒng)。
可是在實現(xiàn)嶄新的大型技術(shù)集成之前，必需掃除兩個主要發(fā)展障礙—芯片的熱量管理和功耗。
現(xiàn)在，先進的前照(front side illuminated ，F(xiàn)SI) CMOS傳感器集成了模擬和數(shù)字功能，實現(xiàn)了成本和效能兼具的解決方案。能夠達成這些目標，關(guān)鍵在于把有利于系統(tǒng)效能及嵌入到圖像傳感器SOC等各種因素的巧妙分隔。在這里，分隔圖像系統(tǒng)應(yīng)用以及諸如CPU、FPGA和DSP等已有圖像處理器件的角色是核心因素，因功能重覆會導(dǎo)致成本上升。而開發(fā)一個能夠為目標應(yīng)用市場提供可行方案，以達到大規(guī)模量產(chǎn)(以實現(xiàn)最低生產(chǎn)成本)的標準圖像SOC產(chǎn)品，事前需要兩個模塊的深入對話。
終端相機產(chǎn)品的主要的市場參與者，包括硬件、軟件、系統(tǒng)建構(gòu)者和光學(xué)工程師，以及一個多范疇的圖像傳感器開發(fā)隊伍，都在貢獻著各自在半導(dǎo)體科技和終端相機產(chǎn)品技術(shù)和應(yīng)用的知識，尋找創(chuàng)新的產(chǎn)品解決方案。
本文將介紹一款面向條形碼讀碼器和其它嵌入式視覺應(yīng)用的CMOS圖像傳感器系列產(chǎn)品、它們的應(yīng)用實例，以及一些未來發(fā)展趨勢。
1條形碼 – 現(xiàn)今最流行的編碼系統(tǒng)以及相關(guān)閱讀技術(shù)概況
在以節(jié)假日及季節(jié)性消費零售和網(wǎng)上購物的行業(yè)中，物流運輸、制造和批發(fā)等行業(yè)每日掃描逾50億個條形碼。隨著1970年代全球首個條形碼在一包口香糖上出現(xiàn)，現(xiàn)在它顯然是最流行的可讀編碼系統(tǒng)，并且不斷發(fā)展新的應(yīng)用范圍。一維條形碼是首個出現(xiàn)的條形碼(并因印刷技術(shù)進步，面積不斷變小)，而它仍然是主流技術(shù)，可見于零售、運輸和物流及其它行業(yè)的UPC(獨有產(chǎn)品碼)應(yīng)用。二維條形碼有多種不同的規(guī)格，提供相較一維碼更多的可編程數(shù)據(jù)：一維碼最大可載入20-25字符，且取決于條形碼類型；二維碼最大可以加載超過2000個字符。除了一般的寫入產(chǎn)品信息和明細功用外，二維條形碼也寫入校驗和(checksum)以及其它校正技術(shù)，以確保對印刷錯誤或破損的條形碼有更大的容錯能力。二維碼在一些特定行業(yè)已獲得大量應(yīng)用，如自動化制造行業(yè)，零件的直接部件標示(direct part marking ，DPM)等。
二維條形碼閱讀技術(shù)升級大約在15年前開始，因為它能夠同時閱讀二維碼和一維碼，并成為當今的市場主流。
條形碼范例
UPC 一維碼
QR二維碼
PDF417 二維碼
Datamatrix 二維碼
圖2 不是所有二維碼閱讀器都有同樣的功能
2不是所有二維碼閱讀器都有同樣的功能
條形碼驗證和解碼系統(tǒng)正在快速發(fā)展并不斷改進，以提供更快、更緊湊、更低價格和更強大的閱讀功能。
雖然基于激光的一維閱讀器仍然在產(chǎn)和使用，閱讀系統(tǒng)最顯著的技術(shù)進步卻是來自二維閱讀器。二維閱讀器通過圖像傳感器，使得它能夠提供顯著的演算能力，帶來之前不可能出現(xiàn)的附加功能。這些功能包括拍攝照片和錄取視頻，以及加入更多先進功能，常見例子包括文件掃描、光學(xué)字符辨識(OCR，orthogonal character recognition)、物件辨認、尺寸量度，以及更多其它功能。
Teledyne-e2v 的圖像傳感器是一款面向這一市場上的獨特產(chǎn)品，提供了各種二維傳感器選項以外的更多優(yōu)勢。其中一個主要原因是它經(jīng)設(shè)計專門用于條形碼閱讀，而不是一般面向多用途、消費性或車用市場的產(chǎn)品。這意味著一種精確強大的解決方案，能夠滿足領(lǐng)先市場的條形碼閱讀器產(chǎn)品的一切要求。
Teledyne-e2v 近期開發(fā)出一小像素低噪聲全局快門CMOS圖像傳感器系列產(chǎn)品，擁有獨特功能，能夠為自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Automatic Data Collection System，ADCS)和自動辨識(Auto Identification，AI)市場應(yīng)用帶來顯著成本節(jié)省及/或性能提升的方案。在這一市場區(qū)間，雖然傳感器單元成本是最重要的因素，但諸如照明 / 光學(xué)鏡頭的降成本方案也需要一并考慮。
圖3 Snappy 是用于工業(yè)條形碼閱讀器的CMOS圖像感測的一種創(chuàng)新面向應(yīng)用方法
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
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
3溫升的影響
如果仔細一點觀察在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)?？紤]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。
4獨有的黑白+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(jié)合紅綠藍三色像素來制造“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
5創(chuàng)新嵌入式應(yīng)用專有功能
實現(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傳感器的標準功能，因為這意味著在完全穩(wěn)定和達到數(shù)據(jù)表標明的信噪比功能數(shù)值前，系統(tǒng)必需棄置多個全幀圖像。這一獨有的通電后首幀閱讀能力能夠為相機提供差異化因素，實現(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 成像團隊發(fā)明的兩個最具創(chuàng)新性的專利功能：它們經(jīng)設(shè)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(yīng)用。
1.快速自曝光(Fast Self Exposure，F(xiàn)SE) 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，F(xiàn)SE帶來更多融合時間和強大功能的優(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現(xiàn)以下功能：
(a) 獨有的縱向模數(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，因為FSE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)并提供目標圖像，使得圖像融合速度較慢。在整個過程會耗費大量幀幅，使得速度不能配合條形碼閱讀應(yīng)用的要求。
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行處理。這一工作一般是在FPGA或CPU上進行，因為這一任務(wù)需要大量的閘/實時時鐘(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。
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
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，這不單是因為處理方面的開銷顯著減小，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，這是因為它需較大的鏡頭和更強的處理能力配合去進行5MP實時圖像處理/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大的操作能力。
Snappy傳感器系列經(jīng)過設(shè)計優(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器視覺(MV)應(yīng)用，包括查驗、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、增強現(xiàn)實、生物特征系統(tǒng)等等。
圖9 Snappy傳感器系列適用于其它機器視覺、智能物聯(lián)網(wǎng)和其它工業(yè)計算視覺應(yīng)用
6 Snappy傳感器集成鏡頭和先進基于微電機的自動對焦提供附加價值
消費級相機光學(xué)模塊并不適用于B2B工業(yè)應(yīng)用的嚴苛長時間工作環(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(tǒng)的價值并節(jié)省開發(fā)時間和成本。
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。新產(chǎn)品的詳細內(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。
7 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(每年大于25%) ，不單為物流中心運營帶來變革，也為傳統(tǒng)的實體零售點提供保障。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的對象辨認任務(wù)。
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
如要全面實現(xiàn)高成長潛力，首要條件是要實現(xiàn)更高速度或更高產(chǎn)能的掃描儀和相機。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。每一平方厘米的存儲和運送空間都要實現(xiàn)最大化應(yīng)用。要對貨件實現(xiàn)整個運送和供應(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/文字標簽，現(xiàn)需要使用兩個單獨的相機，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。
現(xiàn)在的研究重點在于研發(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。