芯耀
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深度感知是现实机器视觉应用中不可或缺的关键功能。安森美 (onsemi) 的 Hyperlux™ ID 间接飞行时间 (iToF) 深度传感器，凭借更少、更小、更简单的器件，即可实现高精度深度感知。我们将通过一系列文章介绍机器视觉应用痛点以及Hyperlux ID，本文为第一篇，将介绍机器视觉应用发展趋势和深度感知的技术难题。
深度感知：工业自动化与 AI 视觉的感知基石
现代机器不仅要能够移动，更需自主感知周围环境、识别操作对象，并理解周围的世界。工业组件要实现真正的自动化，其核心在于感知、定位并与世界交互的能力。当这类组件由人工智能 (AI) 驱动时，就需要深度传感器为处理器提供视觉感知能力。对机器视觉而言，要实现这种感知级别的识别能力，绝非易事。
当机器执行物体操作或规划前方路径时，其处理器需要在极短时间内获取尽可能多的深度数据点。传统图像传感器会产生大量数字伪影，包括光晕、拖影、过饱和以及运动模糊。这些伪影并非真实的环境信息，如果缺乏深度感知功能及深度数据的有效解析手段，机器的处理器将无法做出准确推断。我们固然可以寄希望于人工智能或机器学习算法，助力机器区分真实场景与虚假干扰。但这里真正需要的是一款性能强大且稳定可靠的深度传感器，从而让机器无需再从不可靠的视觉证据中去推测真实场景。
本文旨在探讨如何为具体应用挑选合适的深度传感器。作为全球领先的半导体器件制造商之一，安森美生产各类传感器，包括基于 CMOS 的图像传感器、超声波传感器、短波红外 (SWIR) 传感器以及激光雷达。
激光雷达之所以能实现远距离深度感知，是因为它采用了直接飞行时间 (dToF) 技术。当应用场景中最关键的数据需求是实时测距时，dToF 技术能为激光雷达提供优于其他深度感知方法的采集速率，并具备检测激光回波路径中多个物体的能力。通过采用二维单光子雪崩二极管 (SPAD) 和硅光电倍增管阵列 (SiPM) 技术，安森美激光雷达组件能够探测最远 300 米范围内的单光子信号。
然而激光雷达在分辨率方面存在局限。为实现全视场覆盖，激光雷达需对前方场景进行扫描，就像用画笔在整个画布上逐步涂绘一样。这种方式难以识别远方物体的特征，尤其在物体边缘轮廓不够清晰时，这一问题更为突出。
开发未来机器视觉应用的工程师需要充分了解各类技术的差异，从而为自身的研发工作选择合适的成像设备。
图2.机器视觉典型应用场景
当机器视觉系统检测到其感知范围内存在物体时，它不仅需要判断物体的距离，还需推断物体的形状与结构。这要求系统通过更高密度的数据点采集，获取前方场景的更多数据，以实现更高的分辨率和保真度。例如：
工业安防系统聚焦大门或特定入口，探测约 10 米半径内的移动物体或活动迹象
视频会议系统拍摄画面内的人物，当人物起身在室内走动时，系统会自动调整构图与对焦
仓库和物流中心的库存管理系统持续核验货物库存数量及其存储位置
工厂检测系统对零部件不间断检测，排查潜在瑕疵和缺陷
物流系统对货物和包裹进行常态化尺寸测量，以优化运输方案并提升运输安全性
车辆装载系统持续不断地将库存货架上的货物转移到运输车辆上
此类应用场景均需要高分辨率深度传感器来识别前方的物体，并辅助软件推断抓取、搬运或操作物体的最优方案。通过物体的外形或结构判断其属性，离不开深度感知技术的支持。这项任务的难点在于，图像仍是二维平面信息。但借助一些技术手段，可从二维数据中推导三维空间信息。安森美最新推出的 Hyperlux ID iToF 深度传感器，便集成了这类前沿技术。
深度感知的技术难题
距离属于一维空间概念。激光束的特性恰好体现了一维空间感知方式的全部优势与局限。对于以激光束作为感知机制的设备而言，要确定传感器前方的环境构成，就必须通过多次扫描并整合扫描所得的数据来实现。尽管技术发展正不断加快这一扫描过程，但此类设备仍然存在物理限制。
图 3. 四种主流视觉技术的固有性能表现
绿色：广泛使用；黄色：偶尔使用，但并非总是可靠；红色：从不使用
实现深度感知至少需要一张二维图像，而若能获得两张及以上二维图像，则可推断出三维信息。具备深度感知功能的图像传感器，其有效感知范围受限于传感器自身的分辨率。而激光束则不存在这一局限。我们可以为近地轨道 (LEO) 卫星搭载激光雷达设备，从上千公里高空对地表地形与海平面进行精准测绘。
正是这一本质区别，界定了激光雷达与图像传感器在工业应用中的不同适用领域。如今，日常生活中越来越多的自动化设备，开始采用基于 CMOS 的图像传感器来实现深度感知功能。在过去，基于 CMOS 的传感器并不适用于消费级数码相机，尤其是专业摄影领域。这类传感器对光学噪声和电磁干扰十分敏感，而早期数码相机所采用的电荷耦合器件 (CCD)，则能很好地解决这两大问题。
智能手机时代的到来彻底改变了这一局面。业界借助 NASA 喷气推进实验室为航天项目研发的相关技术，优化了 CMOS 传感器的能效表现与实际应用价值。如今，安森美基于 CMOS 的 Hyperlux ID AF0130 和 AF0131 传感器，相比 CCD 图像传感器与激光雷达组件，展现出多方面优势，具体如下：
能效更高，适用于需要低直流电压或电池供电的应用场景。
更易集成到机器设计与组件封装中。
热特性大幅优化，无需主动散热系统。相较之下，激光雷达的光电探测器对温度尤为敏感，尤其在 35°C 或以上环境中。
深度感知精度极高，依托 120 万像素 (MP) 分辨率和背照式 (BSI) 技术，结合传感器内置的图像处理能力，可显著提升感知精度。
图像曝光速度更快，通过优化传感器的图像信号处理、存储及读取方式，实现更快的曝光效率。
可编程性更强，支持通过情景感知功能对图像传感器进行微调，使其更好地适配具体应用需求。
未完待续，后续推文将继续介绍、Hyperlux ID 结合智能 iToF 技术如何攻克实际应用挑战。
