산업 테스트에서 원격 의료까지 밀리초 수준의 정밀 집중은 광학, 전자 및 알고리즘의 세 가지 협업에 의해 주도됩니다.
비디오 컨퍼런스를 시작하거나 휴대폰으로 문서를 스캔할 때 USB 카메라는 자동 초점 기술을 사용함으로써 즉각적으로 명확한 이미지를 보여줄 수 있습니다.이 단순하게 보이는 기능은 실제로 광학 설계의 정확한 협업입니다., 전자 제어 및 알고리즘 의사 결정. 전통적인 단계 모터로 구동된 렌즈 모듈에서 혁명적인 액체 렌즈까지그리고 휴대전화 카메라 기술을 USB 카메라로 전환하는 것, 자동 초점 기술은 다양한 시나리오의 요구를 충족시키기 위해 여러 가지 기술 경로를 개발했습니다.
1, 자동 초점의 핵심 원칙: 광학, 평가 및 실행의 폐쇄 된 루프
자동 초점의 핵심 임무는 렌즈와 이미지 센서 사이의 거리를 조정함으로써 불타는 빛을 광감각 요소에 정확하게 집중시키는 것입니다.
USB 카메라를 통한 이 목표 실현은 세 가지 주요 모듈의 공동 작업에 의존합니다.
광학 촬영 시스템: 렌즈, 필터 및 CMOS 이미지 센서 (예: 12 메가 픽셀 OIS12M 모듈) 는 원시광을 캡처하고 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다.빛이 렌즈를 통해 굴절되면, 그것은 이미지 센서에서 간섭 패턴을 형성하고 이러한 간섭 패턴의 단계 차이 (PD 값) 는 초점의 위치를 계산하는 데 사용될 수 있습니다.
명확성 평가 시스템:USB 인터페이스를 통해 이미지 데이터를 획득한 후,컴퓨터는 스펙트럼 진폭 또는 가장자리 선명성 데이터를 계산하기 위해 빠른 푸리에 변환 (FFT) 또는 미분 연산 (differential operations) 을 사용합니다. 이것들은 이미지 명확성 평가 기능 (Image Clarity Evaluation Functions, FV) 이라고 불립니다.FV 값은 이미지 대비성 분석을 통해 얻는데, 이는 기본적으로 인접한 픽셀 사이의 회색 차원의 차이를 계산합니다. 차이는 클수록 이미지가 더 명확합니다.
집행 메커니즘: 의사 결정 시스템의 지침에 따라 운전 장치 (스텝 모터 / VCM 모터 / 액체 렌즈) 는 렌즈 위치를 이동합니다. 예를 들어,스테퍼 모터는 변속기 세트를 통해 렌즈를 앞뒤로 구동합니다., 최대 마이크로미터의 정확도로; VCM 음성 코일 모터는 정확한 이동을 달성하기 위해 전자기 인덕션 원리에 의존합니다.전체 폐쇄 순환 제어 과정은 다음과 같이 요약 될 수 있습니다.: 이미지를 캡처 → 명확성을 계산 → 렌즈를 조정 → 효과를 확인 → 초점을 고정.그것은 즉시이 프로세스를 트리거하여 이미지가 명확하게 복원되도록 보장합니다..
2기술 구현 경로: 전통적인 기어에서 액체 혁명
(1) 전통적인 기계적 구동 체계: 단계 모터의 상승과 하락
초기 USB 카메라는 일반적으로 스테퍼 모터와 변속기 세트의 조합을 사용했다. 제재앙 대학에서 개발한 프로토타입은 OV7620 센서 칩을 사용합니다.컴퓨터가 초점이 멀어지는 것을 인식하면, 그것은 USB 인터페이스를 통해 모터 드라이브 회로 (PIC16C73A 칩과 같이) 에 펄스 신호를 전송합니다. 모터는 펄스를 수신 할 때마다 고정 된 각도 (예를 들어 1.8 °) 를 회전합니다.그리고 회전 운동은 벌레 드라이브 또는 스레드 드라이브를 통해 렌즈의 선형 이동으로 변환됩니다.
장점은 간단한 구조와 저렴한 비용에 있습니다. 그러나 명백한 단점이 있습니다. 기계적 마모로 인한 제한된 수명 (일반적으로 수십만 초점 주기),느린 포커싱 속도 (100-500 밀리초가 필요), 약한 충격 저항, 그리고 모바일 장치의 쉬운 실패.
(2) 액체 렌즈 회전: 기계적 움직임 없이 밀리 초 수준 반응
프랑스의 바리오프틱이 개발한 전기 습기 기술은 새로운 길을 열어 놓았습니다. 이 기술은 두 가지 섞이지 않는 액체를 주입합니다.봉인된 방으로전극에 전압이 적용되면 액체 인터페이스의 곡선은 표면 긴장 변화로 인해 변경되며, 따라서 초점 거리의 밀리초 수준 조정이 달성됩니다.
PixeLINK의 USB 3.0 산업용 카메라는 이 기술을 처음으로 적용한 제품이며, 이 기술의 장점은 주목할 만합니다.
물리적인 움직이는 부품이 없습니다.400만 회를 넘는 수명
초고속 초점:<50 밀리 초로 오픈 루프 모드, 폐쇄 루프 모드에서 약 10 프레임/초
강한 환경 적응력:2000g의 기계적인 충격에 견딜 수 있으며, 매크로 능력은 < 5cm
극히 낮은 전력 소모:렌즈 자체는 1mW의 전력보다 적게 소비
(3) 모바일 기술 이전 계획: VCM 및 지속적인 집중
노트북 카메라의 이미지 품질에 대한 요구가 증가함에 따라 휴대 전화 카메라 모듈 기술이 도입되기 시작했습니다.썬니 옵토전자에서 개발한 USB 모듈은 VCM 음성 코일 모터를 사용한다., 5 메가 픽셀 CMOS 센서와 결합하여 5mm 이하의 두께의 소형 디자인을 달성합니다.
VCM은 전자기 인덕션의 원리에 기반하고 있으며, 전류의 변화는 코일을 자기장에 따라 위아래로 움직이며 렌즈의 이동으로 이어집니다.그 장점 은 작은 크기 때문 이다, 빠른 반응 및 연속 자동 초점 (CAF) 지원 - 시스템은 지속적으로 FV 값의 변화를 모니터링하고 선명도가 한 임계 이상으로 떨어지면 다시 초점합니다.모션 장면에서 명확성을 보장합니다..
3, 핵심 알고리즘: 카메라가 초점에 대해 어떻게 "생각"하는가?
포커스 검색 전략
글로벌 검색 방법:카메라를 가장 가까운 끝에서 가장 먼 끝으로 이동시키고, 프로세스 내내 FV 값을 계산하고, 최고 위치를 선택하십시오. 느린 속도지만 높은 신뢰성, 초기 집중에 적합합니다.
언덕 등반 알고리즘:주류 최적화 솔루션입니다. 시스템은 먼저 카메라를 큰 단계로 움직여 FV 변화의 경향을 결정하고 정점에 접근 할 때 작은 단계 미세 조정으로 전환합니다.변수 단계 및 변수 속도 언덕 등반과 같은 현대 알고리즘은 원격 초점 영역 (대 단계 빠른 스캔) 과 근접 초점 영역 (작은 단계 미세 조정) 을 동적으로 분할 할 수 있습니다..
피크 결정 메커니즘
전통적인 단일 피크 검출은 노이즈 간섭에 민감하다. 한저우 애틀라스 옵토 일렉트로닉스의 현미경 카메라는 "두 가지 상승과 두 가지 하락" 기준을 채택합니다.FV 값이 5번 연속으로 FV 1을 만족시키면
장면 적응 기술
중점화 완료 후, 시스템은 지속적으로 현장의 밝기와 지역의 FV 값을 모니터링합니다.중요한 변화가 감지되면 (목적 이동이나 급격한 조명 변화 등), 다시 초점을 맞추는 것을 촉발합니다. 밝기 / FV 변동이 문턱 내에서 안정되도록 기다립니다. 그리고 장면이 조용한 상태로 돌아왔다는 것을 결정합니다.이 동적 범위 적응력은 낮은 빛의 성능을 크게 향상시킵니다..
4, 최첨단 하이브리드 기술 및 애플리케이션 적응
하이브리드 중점화 기술
하이엔드 USB 카메라는 패스 검출 (PDAF) 및 콘트라스트 집중 (CDAF) 의 하이브리드 스키마를 채택합니다. PDAF simulates human eye disparity by arranging special masking pixels (left half masking and right half masking pixels appearing in pairs) on CMOS sensors to calculate phase differences and achieve preliminary fast positioning; CDAF는 정밀 조정 작업을 수행합니다. Renesas Electronics와 Lianyong Technology가 공동으로 개발한 4K 감시 카메라의 기준 디자인은이 시스템을 채택합니다.저조한 조명 조건에서 표적 인식의 우수한 정확성을 유지합니다..
산업용 기술 적응
산업 검사 및 의료 영상:픽셀링크 액체 렌즈 카메라는 진동 방지 및 강력한 매크로 기능으로 인해 바코드 스캔 및 망막 인식과 같은 분야에서 우수합니다.
동적 비디오 녹화:OIS13M 안티 쉐이크 카메라는 드론이나 스포츠 사이클링에서 안정적인 영상을 얻기 위해 광학 안티 쉐이크 (OIS) 와 자동 초점 기능을 결합합니다.
현미경 촬영:Hangzhou Atlas Optoelectronics는 미생물 카메라를 제어하기 위해 UVC 프로토콜 개인 명령을 사용합니다.그리고 적응 스티어링 인식을 통해 높은 확대에서 지역 픽 간섭의 문제를 해결.
5미래 진화 방향
컴퓨팅 사진 기술의 발전과 함께 USB 카메라 자동 초점이 세 가지 방향으로 발전하고 있습니다.
알고리즘 지능:딥러닝을 결합하여 포컬 포지션을 예측하고 기계적 검색 이동을 줄입니다.또는 모션 블러 분석을 통해 목표 궤도를 예측.
하드웨어 퓨전:액체 렌즈와 VCM의 하이브리드 드라이브는 새로운 트렌드가 되었으며, 예를 들어 IMX415 센서 모듈은 38×67.39mm의 컴팩트 크기를 유지하면서 3x 광학 확대치를 달성합니다.
프로토콜 및 전송 업그레이드:새로운 세대의 USB4 인터페이스는 480Mbps 대역폭 제한을 깨고 8K 고픽셀 데이터의 실시간 전송과 처리를 가능하게 합니다.초고밀도의 집중을 위한 데이터 기반을 제공.
산업 테스트에서 원격 의료까지 밀리초 수준의 정밀 집중은 광학, 전자 및 알고리즘의 세 가지 협업에 의해 주도됩니다.
비디오 컨퍼런스를 시작하거나 휴대폰으로 문서를 스캔할 때 USB 카메라는 자동 초점 기술을 사용함으로써 즉각적으로 명확한 이미지를 보여줄 수 있습니다.이 단순하게 보이는 기능은 실제로 광학 설계의 정확한 협업입니다., 전자 제어 및 알고리즘 의사 결정. 전통적인 단계 모터로 구동된 렌즈 모듈에서 혁명적인 액체 렌즈까지그리고 휴대전화 카메라 기술을 USB 카메라로 전환하는 것, 자동 초점 기술은 다양한 시나리오의 요구를 충족시키기 위해 여러 가지 기술 경로를 개발했습니다.
1, 자동 초점의 핵심 원칙: 광학, 평가 및 실행의 폐쇄 된 루프
자동 초점의 핵심 임무는 렌즈와 이미지 센서 사이의 거리를 조정함으로써 불타는 빛을 광감각 요소에 정확하게 집중시키는 것입니다.
USB 카메라를 통한 이 목표 실현은 세 가지 주요 모듈의 공동 작업에 의존합니다.
광학 촬영 시스템: 렌즈, 필터 및 CMOS 이미지 센서 (예: 12 메가 픽셀 OIS12M 모듈) 는 원시광을 캡처하고 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다.빛이 렌즈를 통해 굴절되면, 그것은 이미지 센서에서 간섭 패턴을 형성하고 이러한 간섭 패턴의 단계 차이 (PD 값) 는 초점의 위치를 계산하는 데 사용될 수 있습니다.
명확성 평가 시스템:USB 인터페이스를 통해 이미지 데이터를 획득한 후,컴퓨터는 스펙트럼 진폭 또는 가장자리 선명성 데이터를 계산하기 위해 빠른 푸리에 변환 (FFT) 또는 미분 연산 (differential operations) 을 사용합니다. 이것들은 이미지 명확성 평가 기능 (Image Clarity Evaluation Functions, FV) 이라고 불립니다.FV 값은 이미지 대비성 분석을 통해 얻는데, 이는 기본적으로 인접한 픽셀 사이의 회색 차원의 차이를 계산합니다. 차이는 클수록 이미지가 더 명확합니다.
집행 메커니즘: 의사 결정 시스템의 지침에 따라 운전 장치 (스텝 모터 / VCM 모터 / 액체 렌즈) 는 렌즈 위치를 이동합니다. 예를 들어,스테퍼 모터는 변속기 세트를 통해 렌즈를 앞뒤로 구동합니다., 최대 마이크로미터의 정확도로; VCM 음성 코일 모터는 정확한 이동을 달성하기 위해 전자기 인덕션 원리에 의존합니다.전체 폐쇄 순환 제어 과정은 다음과 같이 요약 될 수 있습니다.: 이미지를 캡처 → 명확성을 계산 → 렌즈를 조정 → 효과를 확인 → 초점을 고정.그것은 즉시이 프로세스를 트리거하여 이미지가 명확하게 복원되도록 보장합니다..
2기술 구현 경로: 전통적인 기어에서 액체 혁명
(1) 전통적인 기계적 구동 체계: 단계 모터의 상승과 하락
초기 USB 카메라는 일반적으로 스테퍼 모터와 변속기 세트의 조합을 사용했다. 제재앙 대학에서 개발한 프로토타입은 OV7620 센서 칩을 사용합니다.컴퓨터가 초점이 멀어지는 것을 인식하면, 그것은 USB 인터페이스를 통해 모터 드라이브 회로 (PIC16C73A 칩과 같이) 에 펄스 신호를 전송합니다. 모터는 펄스를 수신 할 때마다 고정 된 각도 (예를 들어 1.8 °) 를 회전합니다.그리고 회전 운동은 벌레 드라이브 또는 스레드 드라이브를 통해 렌즈의 선형 이동으로 변환됩니다.
장점은 간단한 구조와 저렴한 비용에 있습니다. 그러나 명백한 단점이 있습니다. 기계적 마모로 인한 제한된 수명 (일반적으로 수십만 초점 주기),느린 포커싱 속도 (100-500 밀리초가 필요), 약한 충격 저항, 그리고 모바일 장치의 쉬운 실패.
(2) 액체 렌즈 회전: 기계적 움직임 없이 밀리 초 수준 반응
프랑스의 바리오프틱이 개발한 전기 습기 기술은 새로운 길을 열어 놓았습니다. 이 기술은 두 가지 섞이지 않는 액체를 주입합니다.봉인된 방으로전극에 전압이 적용되면 액체 인터페이스의 곡선은 표면 긴장 변화로 인해 변경되며, 따라서 초점 거리의 밀리초 수준 조정이 달성됩니다.
PixeLINK의 USB 3.0 산업용 카메라는 이 기술을 처음으로 적용한 제품이며, 이 기술의 장점은 주목할 만합니다.
물리적인 움직이는 부품이 없습니다.400만 회를 넘는 수명
초고속 초점:<50 밀리 초로 오픈 루프 모드, 폐쇄 루프 모드에서 약 10 프레임/초
강한 환경 적응력:2000g의 기계적인 충격에 견딜 수 있으며, 매크로 능력은 < 5cm
극히 낮은 전력 소모:렌즈 자체는 1mW의 전력보다 적게 소비
(3) 모바일 기술 이전 계획: VCM 및 지속적인 집중
노트북 카메라의 이미지 품질에 대한 요구가 증가함에 따라 휴대 전화 카메라 모듈 기술이 도입되기 시작했습니다.썬니 옵토전자에서 개발한 USB 모듈은 VCM 음성 코일 모터를 사용한다., 5 메가 픽셀 CMOS 센서와 결합하여 5mm 이하의 두께의 소형 디자인을 달성합니다.
VCM은 전자기 인덕션의 원리에 기반하고 있으며, 전류의 변화는 코일을 자기장에 따라 위아래로 움직이며 렌즈의 이동으로 이어집니다.그 장점 은 작은 크기 때문 이다, 빠른 반응 및 연속 자동 초점 (CAF) 지원 - 시스템은 지속적으로 FV 값의 변화를 모니터링하고 선명도가 한 임계 이상으로 떨어지면 다시 초점합니다.모션 장면에서 명확성을 보장합니다..
3, 핵심 알고리즘: 카메라가 초점에 대해 어떻게 "생각"하는가?
포커스 검색 전략
글로벌 검색 방법:카메라를 가장 가까운 끝에서 가장 먼 끝으로 이동시키고, 프로세스 내내 FV 값을 계산하고, 최고 위치를 선택하십시오. 느린 속도지만 높은 신뢰성, 초기 집중에 적합합니다.
언덕 등반 알고리즘:주류 최적화 솔루션입니다. 시스템은 먼저 카메라를 큰 단계로 움직여 FV 변화의 경향을 결정하고 정점에 접근 할 때 작은 단계 미세 조정으로 전환합니다.변수 단계 및 변수 속도 언덕 등반과 같은 현대 알고리즘은 원격 초점 영역 (대 단계 빠른 스캔) 과 근접 초점 영역 (작은 단계 미세 조정) 을 동적으로 분할 할 수 있습니다..
피크 결정 메커니즘
전통적인 단일 피크 검출은 노이즈 간섭에 민감하다. 한저우 애틀라스 옵토 일렉트로닉스의 현미경 카메라는 "두 가지 상승과 두 가지 하락" 기준을 채택합니다.FV 값이 5번 연속으로 FV 1을 만족시키면
장면 적응 기술
중점화 완료 후, 시스템은 지속적으로 현장의 밝기와 지역의 FV 값을 모니터링합니다.중요한 변화가 감지되면 (목적 이동이나 급격한 조명 변화 등), 다시 초점을 맞추는 것을 촉발합니다. 밝기 / FV 변동이 문턱 내에서 안정되도록 기다립니다. 그리고 장면이 조용한 상태로 돌아왔다는 것을 결정합니다.이 동적 범위 적응력은 낮은 빛의 성능을 크게 향상시킵니다..
4, 최첨단 하이브리드 기술 및 애플리케이션 적응
하이브리드 중점화 기술
하이엔드 USB 카메라는 패스 검출 (PDAF) 및 콘트라스트 집중 (CDAF) 의 하이브리드 스키마를 채택합니다. PDAF simulates human eye disparity by arranging special masking pixels (left half masking and right half masking pixels appearing in pairs) on CMOS sensors to calculate phase differences and achieve preliminary fast positioning; CDAF는 정밀 조정 작업을 수행합니다. Renesas Electronics와 Lianyong Technology가 공동으로 개발한 4K 감시 카메라의 기준 디자인은이 시스템을 채택합니다.저조한 조명 조건에서 표적 인식의 우수한 정확성을 유지합니다..
산업용 기술 적응
산업 검사 및 의료 영상:픽셀링크 액체 렌즈 카메라는 진동 방지 및 강력한 매크로 기능으로 인해 바코드 스캔 및 망막 인식과 같은 분야에서 우수합니다.
동적 비디오 녹화:OIS13M 안티 쉐이크 카메라는 드론이나 스포츠 사이클링에서 안정적인 영상을 얻기 위해 광학 안티 쉐이크 (OIS) 와 자동 초점 기능을 결합합니다.
현미경 촬영:Hangzhou Atlas Optoelectronics는 미생물 카메라를 제어하기 위해 UVC 프로토콜 개인 명령을 사용합니다.그리고 적응 스티어링 인식을 통해 높은 확대에서 지역 픽 간섭의 문제를 해결.
5미래 진화 방향
컴퓨팅 사진 기술의 발전과 함께 USB 카메라 자동 초점이 세 가지 방향으로 발전하고 있습니다.
알고리즘 지능:딥러닝을 결합하여 포컬 포지션을 예측하고 기계적 검색 이동을 줄입니다.또는 모션 블러 분석을 통해 목표 궤도를 예측.
하드웨어 퓨전:액체 렌즈와 VCM의 하이브리드 드라이브는 새로운 트렌드가 되었으며, 예를 들어 IMX415 센서 모듈은 38×67.39mm의 컴팩트 크기를 유지하면서 3x 광학 확대치를 달성합니다.
프로토콜 및 전송 업그레이드:새로운 세대의 USB4 인터페이스는 480Mbps 대역폭 제한을 깨고 8K 고픽셀 데이터의 실시간 전송과 처리를 가능하게 합니다.초고밀도의 집중을 위한 데이터 기반을 제공.
