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從醫(yī)療診斷到汽車、智能手機(jī)、和視頻監(jiān)控…攝像頭在我們的日常生活中無(wú)處不在。所以說(shuō)如今的數(shù)據(jù)中有一半是圖像和視頻一點(diǎn)都不夸張，而且其中大部分是通過(guò)便攜式系統(tǒng)在終端生成的。與云端相比，終端設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)仍然很多。比如說(shuō)，如何盡情用智能手機(jī)拍攝精美照片的同時(shí)，又不必?fù)?dān)心電池電量問(wèn)題呢？自動(dòng)駕駛系統(tǒng)如何在無(wú)需大規(guī)模云數(shù)據(jù)處理的情況下同時(shí)分析來(lái)自近10個(gè)攝像頭的圖像呢？攝像頭開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)常常遇到的痛點(diǎn)包括不斷變化的規(guī)格、設(shè)計(jì)和制造之間的差異，以及設(shè)計(jì)和組裝多個(gè)組件所帶來(lái)的復(fù)雜性，若想更好地設(shè)計(jì)出下一代邊緣和普適攝像頭，則需要更新的工具和技術(shù)。數(shù)字孿生恰巧就是這樣一項(xiàng)技術(shù)。數(shù)字孿生是一項(xiàng)關(guān)鍵的使能技術(shù)，不僅適用于飛機(jī)或復(fù)雜的發(fā)電廠，還適用于成像系統(tǒng)。數(shù)字孿生能夠通過(guò)仿真優(yōu)化產(chǎn)品生命周期，從而實(shí)現(xiàn)更高的規(guī)格（避免過(guò)度規(guī)格設(shè)定）和過(guò)程控制預(yù)測(cè)，并支持更早地介入軟件開(kāi)發(fā)。數(shù)字孿生還能催生出定制成像系統(tǒng)，例如無(wú)需“始終在線”的高效視頻監(jiān)控?cái)z像頭。在本文中，我們將介紹數(shù)字孿生如何通過(guò)成像仿真助力成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更好、更精簡(jiǎn)的規(guī)格和虛擬測(cè)試。

攝像頭系統(tǒng)：精密而又復(fù)雜

成像系統(tǒng)是一個(gè)多尺度、多重物理量模型，具有多個(gè)相互依賴的組件：

鏡頭組從場(chǎng)景中捕捉光子；

CMOS圖像傳感器將這些光子轉(zhuǎn)換成電子；

圖像信號(hào)處理器芯片將原始電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有不同顏色、去噪且人眼可讀的數(shù)字圖像；

數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算數(shù)字圖像以獲取信息；

I/O芯片將成像系統(tǒng)與某個(gè)外部組件相連；

最后，成像系統(tǒng)必須能夠提供高質(zhì)量圖像。一般，高質(zhì)量圖像指用數(shù)碼單反相機(jī)拍攝的高品質(zhì)圖像。但是，如果將該標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用于土壤監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷或自動(dòng)駕駛的圖像，可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)過(guò)高規(guī)格或錯(cuò)誤的預(yù)期結(jié)果。下面我們來(lái)看看成像系統(tǒng)架構(gòu)師和團(tuán)隊(duì)如何利用新思科技光學(xué)解決方案的成像仿真功能來(lái)渲染和優(yōu)化成像系統(tǒng)的預(yù)期成像結(jié)果。

工作流程和結(jié)果

如以下簡(jiǎn)化示例所述，現(xiàn)在已經(jīng)可以使用CODE V、LightTools和RSoft光子器件工具來(lái)仿真圖像。在該示例中，成像系統(tǒng)包含一個(gè)由四個(gè)鏡片構(gòu)成的鏡頭組和一個(gè)具有微透鏡陣列的1.12微米R(shí)GB像素CMOS傳感器。

▲配備四個(gè)鏡片和CMOS傳感器的成像系統(tǒng)示例

1. 使用CODE V根據(jù)鏡頭組光學(xué)特性仿真成像結(jié)果 第一步是設(shè)計(jì)鏡頭組并生成相應(yīng)的PSF。我們使用CODE V中的圖像仿真（IMS）功能來(lái)仿真成像結(jié)果。開(kāi)發(fā)者可以將任意2D圖像導(dǎo)入到該工具中，然后定義FFT網(wǎng)格大小并計(jì)算通過(guò)鏡頭后的PSF網(wǎng)格，并可以添加顏色、相對(duì)照度參數(shù)和圖像傳感器屬性，如像素大小和像素?cái)?shù)量。IMS將根據(jù)通過(guò)CODE V定義和計(jì)算的光學(xué)參數(shù)來(lái)計(jì)算輸入圖像的卷積，并輸出由此得到的圖像。

▲右側(cè)的輸出圖像是輸入圖像與由CODE V計(jì)算鏡頭組光學(xué)參數(shù)得到的卷積結(jié)果然后，開(kāi)發(fā)者可以在模擬圖像上評(píng)估圖像質(zhì)量。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化鏡頭組，便可以為目標(biāo)應(yīng)用提供所需的圖像質(zhì)量。 2. 使用LightTools和RSoft光子器件工具仿真雜散光 大多數(shù)成像系統(tǒng)都必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，以避免出現(xiàn)雜散光而影響預(yù)期的成像品質(zhì)。鬼影和眩光是成像系統(tǒng)中的典型雜散光。開(kāi)發(fā)者們可以使用RSoft光子器件工具和LightTools來(lái)預(yù)測(cè)成像系統(tǒng)簡(jiǎn)化示例中的鬼影和眩光。由于傳感器的衍射和反射特性，開(kāi)發(fā)者需要預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的雜散光。CMOS圖像傳感器通常是微米大小像素的集合，這些像素會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)衍射譜，因此必須使用RSoft光子器件工具來(lái)獲得該表面的光學(xué)特性。更具體地說(shuō)，DiffractMOD RCWA是縝密計(jì)算橫向周期性器件衍射特性的有效工具。它可以輸出各個(gè)衍射級(jí)的反射/透射功率、全反射/透射、各個(gè)衍射級(jí)的振幅/相位/角度，以及仿真域中的場(chǎng)分布。所有結(jié)果都存儲(chǔ)在BSDF文件中，并可以導(dǎo)出到LightTools來(lái)做進(jìn)一步的仿真。第三步是從CODE V導(dǎo)入鏡頭組幾何形狀，添加傳感器屬性，從RSoft導(dǎo)入BSDF文件，添加光源（下圖中為太陽(yáng)光源），并使用LightTools的光線路徑工具來(lái)運(yùn)行蒙特卡洛仿真，以分析雜散光所有可能的路徑。仿真結(jié)果將類似于右側(cè)所示的圖像。

▲左側(cè)是LightTools攝像頭模型；右側(cè)是傳感器上看到的雜散光圖

3. 使用COM API將仿真成像結(jié)果與雜散光圖相結(jié)合 最后一步是使用COM API將來(lái)自CODE V的仿真成像結(jié)果與使用LightTools和RSoft計(jì)算得出的雜散光相結(jié)合。在這個(gè)卷積中可以調(diào)整亮度系數(shù)和能量比。

▲結(jié)合來(lái)自CODE V的仿真圖像與來(lái)自LightTools的雜散光圖而得到的卷積圖像；右側(cè)是仿真成像結(jié)果

通過(guò)利用仿真圖像上的圖像質(zhì)量指標(biāo)來(lái)評(píng)估圖像，能夠進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，從而達(dá)到適合目標(biāo)應(yīng)用的規(guī)格。通過(guò)CODE V、LightTools和RSoft光子器件工具對(duì)仿真圖像進(jìn)行虛擬測(cè)試是一個(gè)強(qiáng)大的工作流程，不僅可以避免成像系統(tǒng)超規(guī)格，而且還可以通過(guò)仿真預(yù)測(cè)組裝和測(cè)試階段來(lái)節(jié)省時(shí)間。

原文標(biāo)題：當(dāng)鏡頭設(shè)計(jì)遇上數(shù)字孿生

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