机器视觉面临的问题是所用的摄像机都是带有三维视景的二维录像机,图像中的物体可能会因为光照原因而模糊、被障碍物挡住或者与背景中相同的颜色混淆。高端的软件有时可以从难辨的线索中将物体显示出来,比如使用两个相机来揭示视差。但是这样的方法需要一定的时间才能启动,不适合汽车避撞等实时应用领域。
迄今为止还没有任何一家公司敢放言自己已经通过使用了像素级硬件的实时3D相机解决了这一问题,能不受光照、遮蔽或者色彩混淆的影响算出到视景中任何物体的距离。但近日Canesta公司宣布,已经通过将3D硬件整合到其SunShield CMOS 3D飞行时间成像传感器,成功开发出能在视景中真正感知物体而不仅仅是感应图像的机器视觉相机。
Canesta公司CEO兼总裁James Spare表示:“我们从1999年就开始试图完善这一技术,现在终于扫清了商业化之前的最后一道障碍。我们的第一个产品将在2007年第四季度问世。”
传统的图像芯片的工作原理是:借助半导体的特性,在有光照时产生自由电子。Canesta的CMOS图像传感器的工作原理是一样的,但结合了一个能够以可见光照亮视景区的红外发光二极管。每个像素中的电路计算红外光到某个物体所需的时间,计算出来的数值实时构成了整个视景的3D深度图。
Canesta公司首席技术官Cyrus Bamji指出:“我们的技术能借助一个真正的CMOS流程来获得3D图像。我们是通过检测相位延迟来测量场景中每个像素的飞行时间来实现这一目标的,该飞行时间和所穿越的距离成一定的比例。”
Canesta表示,它的这一方案中所使用的红外光源不断发出一个50MHz的脉冲链。每个象素都有一个和光源同步的时钟。它能够输出两个信号,分别结合到两个电容器上。通过电容器之间电压的差异,可以将相位控制在高于1/300或者小于50微微秒。
SunShield技术可以不受光度影响而测量距离。即便光亮度极高(达到10万lux)或者快门时间很长,甚至光照条件从早到晚快速变换,SunShield技术都能测量到距离。
环境光对于各象素电容器输出电压的影响是均等的,因此差别不会改变。但是,太阳光可能会比LED光亮1000倍(经光学滤波之后高50倍),因此象素会很快饱和。
普通相机在明亮的日光下能够增加快门速度或者透镜,而像Canesta技术这样的飞行时间系统则不同,必须以全灵敏度运行才能捕捉到最大量的红外光。但是,在Canesta的技术中,红外光照会在像素饱和之前停止,接着,通过颠倒并缩短象素电容器引线,环境光产生的普通模式信号会被剔除,而有用的查分信号则保留下来。这一操作和在没有颠倒引线情况下两个电容器被缩短时取消差分电压的过程是正好相反的。
SunShield操作大概每100微秒重复一次,因此像素永远都不会饱和。相比之下,小的差分电压可以累计起来,并构成总的帧时间(光源的1百万个周期内这个总的帧时间为30毫秒)。在每个帧的结尾,深度图从所有象素累计的差分电荷中产生,而整个芯片会被重置,过程也会开始重复。
Canesta是一个将生产外包给Tower Semiconductor公司的无晶圆厂半导体公司。它的3-D CMOS图像传感器采用的是180纳米制程。由于业务模式的限制,它一般把相机模块销售给OEM,并向那些想要自己生产3D相机的制造商提供技术授权。迄今为止它已经向OEM和制造商售出了大约100套开发套件,涉及到视频游戏、工业自动化和汽车等各个领域。据悉,本田过去三年就在Canesta的技术上投资了超过500万美元。
Canesta预测它的首款面向汽车的设计会用于一个“智能化”汽车安全气囊,能以适合乘客提醒的力度释放,另外也会推出面向自适应巡航控制、盲点监测、后备报警系统、行人监测和泊车助手等等汽车应用的设计。
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