圖書掃描/監控應用需求增 高解析度照相機性能大躍進
現今在全球的發達國家中，幾乎每一處圖書館及文庫都設有一個資金充裕的部門，持續致力於將其保存的資產加以數位化。毫無疑問地，這是非常昂貴及繁瑣的任務，因為每一本書都必須交由專業人員逐頁掃描，這些專家知道如何根據不同狀態來處理某些獨一無二、無可取代及脆弱的物件。同樣對於用來處理這些物件的設備，設計要求也一樣嚴苛，如此才能避免文件在掃描過程中遭到破壞。
高解析度照相機滿足書本掃描應用
針對書本掃描機專門設計的高解析度照相機，就是執行這些細緻任務的前提條件。專業機構及產業組織的存在也同樣重要，例如「book2net」就是一個結合解決方案提供者及使用者的國際性聯盟組織，這些單位為全球的文庫、圖書館及博物館發展適合的掃描系統及程序。另一個目標則是持續升級這些掃描系統，以滿足日漸增加的使用者需求。
以Microbox公司(Microbox GmbH)為例，該公司具備各種book2net書本及文件掃描器(圖1)，產品系統配備精密的LED光源系統，且提供多種設定，從手動入門等級到全自動工作流程最佳化，並具備OCR文字辨識並廣泛支援各種標準、單頁及多頁檔案格式。此外，該公司旗下還有「虛擬閱覽室(Virtual Reading Room)」的線上文件及書本圖像軟體，能夠讓讀者在閱讀這些掃描材料時享有真實的閱讀體驗。
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| 圖1 book2net書本及文件掃描器具備OCR文字辨識並廣泛支援各種標準、單頁及多頁檔案格式。 |
該公司聚焦在兩大產品領域，分別為高階雷射印表機及文件掃描系統。雷射印表機支援自動微縮膠片功能，並能以較高的解析度歸檔，能將60頁DIN-A4至DIN-A0格式的文件儲存在35mm膠片的一個幀框內，加上此影像的後設資料，這就代表在一個36×24mm的影像範圍內存在著3000萬畫素。
Microbox針對微型及文件掃描系統開發多種創新解決方案，其書本及文件掃描器可以容納從DIN-A3到A0尺寸的格式，透過由多家公司組成的bool2net聯盟銷售。這個聯盟針對公共及產業用途提供生態和經濟上可行的數位化概念。
於擴展其書本掃描器產品的過程中，Microbox發現了一款由CMOSIS開發的新型CMOS影像感測器，具有極高的解析度。CMOSIS的低雜訊區域陣列感測器(Area-array sensor)CHR70M能在一個36×24mm的CMOS晶片上，以3.1µm的正方形間距布局，實現高達7100萬畫素的影像解析度(圖2)。CHR70M感測器提供極大的影像面積，在一個標準拜耳顏色(Bayer color)布局中有10,000×7,096個主動方形畫素(Active square pixels)，但是它還是能做為一個甚至是具有更高解析度的灰階系統。
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| 圖2 CHR70M影像感測器可實現7100萬畫素。 |
CHR70M被設計為一個解析度極高的CMOS區域陣列感測器。這個陣列由3.1μm×3.1μm的針扎光電二極體(Pinned diode)畫素組成。此一影像感測器有八個類比輸出，每一個的運作頻率是30MHz，如此在全解析度時能達到3fps幀速(Frame rate)。在開窗(Windowing)或次取樣(Subsampling)模式中可以達到更高的幀速。這個影像感測器也整合了一個程式化增益放大器及偏移調節(Offset regulation)。
此一影像感測器另一個特殊功能，便是分享式畫素的設置。在這個布局中，是由兩個畫素分享兩個讀出型電晶體，而不是每一個畫素都有兩個電晶體。如此一來，畫素區域內部就有更多的空間，可以讓光電二極體捕捉到更多光線。另一個好處是，因為靈敏度提高，所以畫素可以做得更小(3.1µm)。在該產品開發之時，這樣的畫素網格布局是很獨特的，在此之前尚未在這類裝置上實現過。現在，這樣的技術已是越來越普遍。
為了要確保分享式讀出畫素的偏移及增益行為趨於一致，就必須採取特定的預防措施，以避免棋盤式缺陷及校正需求。這對於黑白版本(B/W)的感測器尤其重要，因為這個效果，如果呈現出來的話，將會被彩色版本中的彩色濾光陣列(Color Filter Array, CFA)模式所掩蓋。
由於讀出電路的交錯布局，所有的畫素都會顯現出相似的調制轉換函數(Modulation Transfer Function, MTF)行為和角度靈敏度(Angular sensitivity)。今日，針扎光電二極體(Pinned photodiodes)在畫素的形成中已是標準技術。相較於十年前的針扎二極體設計，目前的暗電流已是更小，為3.2e-/s(室溫)。
所有的相關感測器設定都能得透過內建序列介面周邊(Serial Peripheral Interface Bus, SPI)此一介面進行編程。一個可程式化的板上程序器(Squencer)會產生內部的曝光及讀出時序，外部的啟動及曝光編程也是可能的，CHR70M適用於3.3V的訊號電平，採用65接腳陶瓷PGA封裝。
奠基高性能影像感測器 新型高解析度照相機問世
CHR70M的電子式(滾動)快門，能確保長期穩定及精密的運作，且具備高幀速率，每秒能提供三個影像。這在灰階及標準拜耳(Bayer)彩色版本中都是具有相當優勢。基於上述原因，Microbox決定開始發展高解析度的照相機–K71。
為了讓感測器的雜訊效能及63dB的動態範圍能符合特定產業及文件掃描的用途，Microbox採用一種被動式Peltier冷卻系統，在K71照相機中加入溫度穩定機制。透過這個方法，這個感測器的溫度能固定維持在15℃。它也能被調整至任何其他所需溫度。在文件掃描及長距離高解析度監視這個領域中，這樣的功能是其他照相機所無法提供的。一般而言，溫度越低，畫質就越好。
在此一發展計畫中，最新的產品成果是應用於圖書館的X71(圖3)，以及另一個用於工業及空中監視應用的機器視覺版本K71，能不受限地採用各種焦距的f-接口標準鏡頭。這兩個機型透過USB3.0介面，影像擷取速率都是350MB；曝光時間可調整(透過穩固的電子滾動式快門)，從100微秒(µseconds)到2秒；幀速是每秒三個影像。K71機器視覺照相機主要用於工業應用，例如材料分析、品質控制、表面檢視、顯示器及印刷電路板的檢測等。
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| 圖3 X71採用CHR70M影像感測器。 |
此外，上述兩款產品都被設計為極低的功耗、低雜訊水平和大動態範圍，能提供每秒3幀的幀速。在採用7,100萬畫素感測器之前，Microbox是採用4,000萬畫素的感測器，畫素間距是6.3-µm，配備機械式快門。
空中監控成應用新市場
空中監控成應用新市場
在空中監控及檢查這個快速發展的領域中，K71已被證明是極有助益的。為滿足這些應用，該產品能被安裝在鋰離子電池供電的無人機或是多軸直升機上，並且提供一個特別的好處，便是若採用精簡、堅固的鎂合金外殼，則它的重量會非常的輕。
這樣的配置適用於由電池供電、總重量5公斤的無人機。根據各地法規且擁有一般飛行執照，只要飛行高度不要超過100英尺(或是另有規定為150英尺)，以及在戶外飛行時必須距離最近的機場或其他禁制區域1.5公里遠，這些無人機就可操作。這些區域飛行限制通常會被編程進無人機隨附的軟體套件中。
以Microbox K71為例，該產品採用鋁合金機殼，配備f-接口50mmf/1.8鏡頭，總重量僅有420公克。相較於一般工業應用採用鋁合金，這樣的重量少了一半。即使是在攝像機背面黏著了一個準系統影像處理器(350公克)印刷電路板，它的總重還是低於1,000公克。
另一款由Microbox與位於德國比勒費爾德的Height-Tech所共同製造的飛行機器人Flight Roboter HT-8，採用碳塑料外殼，其爬升速度是每秒10英尺；最大高度可達海拔3,900英尺。除了整合攝影機和電池外，這具無人機還配備了GPS接收器、多個感測器，用來測量氣壓、加速度和溫度，另外還具備陀螺儀及指南針。地面控制是由飛行員(依據法律規定)操作一台可攜式遙控器來執行，其具有精密搖桿及一個7英吋的現場觀看顯示器。
一旦飛高，無人機必須小心保持穩定，以維持在預定的位置上，得維持既定的高度和觀察角度，即使是在風力五級的情況下，也不能偏離方向。低功耗及良好的電池效能是必要的。就HT-8而言，穩定性的保證是來自於八個小型垂直螺旋槳，它們能產生移動快速的空氣柱。
就理論而言，無人機的運作時間通常是20分鐘。然而在真實環境中，這時間會縮短至15分鐘。一個首要法則是，每增加100公克的負載，無人機就會損失1分鐘的飛行時間。如此一來，如果搭載的是今日常見較重的空中照相機，則重量達5公斤的多軸直升機根本就飛不起來。解決方法之一就是採用燃燒發動機，然而這樣的選擇需要漫長的申請和批准程序。
為此，Microbox K71能適用於各種要求嚴苛的工業用空中監視用途。如在雷擊後檢查風力發電機渦輪的損壞狀況及功能正常與否、用來檢查跑道表面的情況，特別是在晚間空中交通暫時平息的時候；或是從上方監看大型建築工地，檢查建築工具及材料是否仍在原地，完整無缺。
高解析度相機提升地面監控成效
今日基於執法目的對於公共地點、建築物及運動場所進行的監視，通常是經由大量部署攝影機來落實，這些攝影機的連結是透過綿長的同軸電纜網路，用來將捕捉到的畫面傳送到監控中心，以進行觀察、儲存和分析。這需要複雜的基礎建設及處理設施。
在執法應用中，例如檢查和記錄犯罪現場，或是觀察建築設施等，需要特別防護、高解析度的照相機，影像的限制是它的低解析度及較窄的視野。就另一方面來看，若要捕捉完整景象，例如足球場上的球迷聚集，攝影機所能提供的只是一小群的觀眾，而監看照相機的解析度越高，它就能被放在距離越遠的地方。
這在設備必須保持在一定安全距離外的情境中特別重要。完全基於GPS系統的點對點導航是可行的，但一般來說不會被採用。
因此，布建一些像是K71這樣的高解析度照相機，其高畫素及每秒能傳素3幀圖像的幀速，能節省90%的影像處理支出。將此類高解析度照相機布建在一些戰略性監看點，便能提供相同數量的視覺資訊，這能支援遠處看似不起眼的觀察，提供全景觀看及細微末節。
圖4顯示Vds(視訊驅動)的測試圖表，量測面積是420×296mm，這是在偵測及辨識個人時，全球通行的影像監視標準。關於K71畫質的例子之一，我們可以從圖5所顯示的兩個Vds測試圖表的照片得知，圖表分別被放置在距離相機40和50英尺處，兩個圖表的中心有著圓形測試圖案，其黑白圖案的圓周間隔是25mm，在縮放視圖中清晰可辨。這個照相機的大範圍焦距能清楚呈現兩個圖表，即使它們相距10英尺之遠。
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| 圖4 Vds(視訊驅動)的測試圖表 |
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| 圖5(b) K71捕捉點及連接線示意圖 |
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| 圖5(a) K71時間解析度示意圖 |
由Microbox開發的一個直徑385mm的轉盤是個特殊的測試物件，用來測試K71的時間解析度(Time resolution)。圖7a顯示了K71時間解析度。這個旋轉盤上有一個直徑34毫米的黑點，接近圓周處有細線(1mm寬)與圓心相連。問題重點在於，當轉盤以每秒12至14轉的速度旋轉時，也就是黑點以45至50km/h的旋轉速度移動時，K71捕捉點及連接線的表現如何，結果請見圖7b，這顯示K71照相機可以捕捉及解析旋轉點，而人眼做不到。
