深度感知是現實機器視覺應用中不可或缺的關鍵功能。安森美 (onsemi) 的Hyperlux? ID 間接飛行時間 (iToF) 深度傳感器，憑借更少、更小、更簡單的器件，即可實現高精度深度感知。本系列文章將深度拆解安森美Hyperlux ID 技術及應用。

第一篇推文介紹了 機器視覺基礎知識

第二篇文章介紹了 iToF 技術

強光環境下的高精度深度感知

環境光過強會導致像素接收的深度信號飽和甚至完全失效，這是 iToF 深度傳感技術的一大痛點。當傳感器前方的場景處于強光照射下時（例如工業裝配車間環境），所有圖像傳感器，尤其是采用 iToF 技術的 CMOS 圖像傳感器，其判斷深度與距離的難度都將顯著增加。

要削弱環境光的影響，需采用環境光抑制的圖像處理技術。該技術巧妙運用光學原理與波長調制方法，將光學信號視為聲學信號進行處理，從而克服物體表面光信號過飽和的問題。環境光過強會給距離與反射率的測量帶來諸多挑戰，而 Hyperlux ID 則通過兩種方式克服了這些挑戰：一是在符合人眼安全標準的前提下優化照明功率；二是調節積分時間，即在設定的測量周期內，靈活調整傳感器的光積分量。

消除運動偽影

采用 iToF 技術的 CMOS 圖像傳感器，面臨的另一大挑戰是消除運動偽影。運動偽影指傳感器在試圖捕捉運動物體時，圖像中出現的失真或不真實的元素。在普通 CCD 數碼相機中，高速運動的物體在畫面中會呈現為模糊影像。由于膠片相機也會產生類似的模糊效果，這種現象常被視為攝影的固有特性，甚至被用作藝術表現手法。

對于高速光電探測器而言，這類本應表現為模糊的影像（例如旋轉的螺旋槳葉片，或傳送帶另一側高速運轉的機械臂），可能呈現為懸浮在空中的怪異虛影。這些虛影并非真實物體，因此需要圖像處理單元將其識別并忽略。

AF0130 的偽影補償始于其全局快門技術，該技術可讓傳感器的所有像素同時曝光。

圖 1. 左：搭載智能 iToF 的安森美 AF0130。右：競品 iToF 傳感器。

為了測試這種智能 iToF 技術的有效性，安森美開展了一項測試：使用一個裝有三塊不同厚度木塊的旋轉輪盤（木塊顏色越深則厚度越大）進行成像。在競品傳感器拍攝的畫面中，輪盤上始終呈現出六塊木塊的影像——這是傳感器受環境光等因素影響，與光線發生異常作用而產生的光學錯覺。相比之下，AF0130 拍攝的視頻雖也存在輕微的光學錯覺，但其每一幀畫面中僅顯示三塊木塊，只是木塊會出現位置小幅偏移和交替閃爍換位的現象。

AF0130 拍攝的每一幀畫面都更加貼近真實場景，基于這些畫面生成的深度圖，精度也遠高于競品。

成像系統的典型幀曝光處理流程是，先將曝光數據寫入存儲器，然后分配時間執行讀出階段。讀出階段的任務是，將傳感器采集到的像素值依次數字化并存儲到存儲器中。普通圖像傳感器被設定為曝光后立即開始讀出階段。如果傳感器需要對連續八幀圖像重復此過程，那么曝光間隔將過大，導致深度圖各部分數據無法準確匹配。這個問題會導致圖像中出現大量運動偽影，對于繁忙的城市街道或裝配線傳送帶等實際應用場景而言，這是不可接受的。

圖 2.標準 iToF 與智能 iToF 對比

AF0130 搭載的智能 iToF 技術通過先連續完成八幀曝光，再統一執行所有幀的讀出操作，克服了運動偽影的難題。這一設計大大減少了運動模糊現象，顯著提升了手勢識別系統的可靠性，這類系統需要準確區分具有指令意義的手臂動作與模糊虛影。（各幀曝光之間仍存在微小的時間間隔，但這些間隔短到足以忽略不計。）

以下是 AF0130 典型曝光場景的計算過程：120 萬像素傳感器的標準成像幀率約為 29.97 幀/秒；在 MIPI 存儲總線單通道吞吐量為 1.2 Gbps 的條件下，其最優曝光時間（首光子到末光子的響應速度）為 300 μs。存儲幀中每個像素為 12 位，因此，當兩條 MIPI 線路同時工作時，吞吐量應該約為 2 億像素/秒。

表1

一張 120 萬像素的圖像包含 1280 x 960 個像素，因此該圖像的讀出耗時為 6.1 ms。Hyperlux AF0130 可在首次讀出階段開始前，將所有曝光數據存儲在傳感器內。相較之下，競品傳感器會在前四幀之間穿插執行三次讀出操作，因此其首光子到末光子的響應速度為 0.3 ms x 4 + 6.1 ms x 3 = 19.2 ms。

相較之下，AF0130 首光子到末光子的響應速度為 0.3 ms x 4 + 0.25 ms x 3 = 2 ms。憑借這一簡單的流程調整，AF0130 在 29.97 fps 幀率下，運動性能達到了競品的 9.6 倍。

再看另一種應用場景：假設幀率提升至約 60 fps。為支持深度處理，每個 MIPI 通道的吞吐量需要達到 2 Gbps（此處假定該條件具備可行性）。在該吞吐量下，傳感器的像素處理能力可達 3.33 億像素/秒，單幀圖像的讀出耗時為 3.7 ms。AF0130 首光子到末光子的響應速度為 0.1 ms x 4 + 0.25 ms x 3 = 1.15 ms。而競品傳感器的這一數值為 0.1 ms x 4 + 3.7 ms x 3 = 11.5 ms。這意味著，安森美 Hyperlux ID 系列傳感器在 60 fps 的幀率下，運動性能達到了競品的 10 倍。

利用情景配置實現靈活適配與微調

通過校準 Hyperlux ID 的全局快門，可以針對特定應用對這款圖像傳感器進行微調。例如，如果傳感器需適配僅兩米外的傳送帶場景，則可以將 AF013x 校準為聚焦于四米范圍內的反射光信號。這類用于微調傳感器工作特性的參數規格可以作為情景配置存儲在傳感器本地。這樣一來，當應用場景發生變化時，只需切換使用對應的情景配置即可。

AF013x 還具備動態調整能力。例如，當反射物體距離過近，導致曝光強度過高、圖像細節丟失時，AF013x 可自動縮短曝光時間；或者，如果全局快門原本針對遠距離探測設定，而近處有物體進入畫面，動態情景切換功能可讓傳感器立即重置參數，避免近處物體在畫面中呈現為大片模糊虛影。這一功能在安防監控場景中尤為實用：例如，傳感器通常針對 10 米外的大門進行參數調校，但仍能清晰捕捉在 2 米處進入畫面的移動物體（即便是高速移動物體）。

降低系統復雜度與成本

對于采用 iToF 技術的標準單調制器圖像傳感器而言，深度感知的相關算法通常需要由外置微控制器或 FPGA 陣列來處理。而 Hyperlux ID AF0130 將這些功能直接集成到芯片內部，使組件設計不再需要以下外置器件：

- 片外微控制器或 FPGA 陣列（這類器件需要獨立的電源樹和電壓軌）

- 幀存儲單元（通常需要存儲器控制器）

- 用于連接圖像傳感器、微控制器和存儲器的高速接口

將深度處理功能集成到圖像傳感器內，不僅能降低系統帶寬占用與算力需求，還可簡化搭載該傳感器的組件設計、縮小組件尺寸，并降低組件的生產制造成本與運維成本。

Hyperlux ID 量化結果

安森美 Hyperlux ID AF0130 與 AF0131 深度傳感器所實現的技術突破，可以重塑工業機器視覺組件的設計范式，使這類組件更易于生產制造、維護保養、工程開發，同時具備更高的性價比。

- AF013x 搭載的 120 萬像素 BSI 全局快門，可使 CMOS 圖像傳感器實現超高精度的深度感知能力。

- 智能 iToF 技術與片上存儲結合，可減少甚至消除運動偽影，助力需要高精度機器視覺的圖像與物體識別系統類 AI 軟件提升準確性。

- 片上集成算法處理功能，完全消除對外部微控制器的依賴，從而簡化組件設計、縮小組件尺寸，同時降低功耗。

- 卓越的環境光抑制能力可提升傳感器的無歧義測距范圍，從而支持更廣泛的機器視覺新應用。

- 依托安森美行業標準 Devware X 開發環境，可實現開放式軟件開發與可編程控制，并支持自定義情景配置。

技術愿景：邁向真正的機器視覺

在需要兼顧速度與精度、但無需超遠距離感知的場景中，Hyperlux ID 解決了機器視覺技術實用化與適配難題?，F代機器需要“看清”自己的動作，只需在關鍵微秒內獲取相關的深度與空間數據。曾幾何時，低功耗 CMOS 技術因易受溫度與噪聲干擾，并不適用于這類應用場景。但如今，隨著工程設計的改進與編程技術的優化，CMOS 技術不僅克服了自身的短板，更在性能上超越了 CCD 等傳統技術。

隨著機器視覺技術逐漸成為各類時空感知設備的標配功能，工業設備也亟需在技術性能、可靠性、供應鏈穩定性與技術支持服務上均能滿足規?；瘧眯枨蟮膱D像傳感器。安森美提供的元器件產品，正致力于推動機器視覺生態朝著更簡潔、更高效的方向發展。