友思特產品 | 超越幀率極限:基于事件傳感器技術的相機
導讀
新型傳感器技術為許多應用——特別是對速度和效率要求較高的領域打開了全新的大門。 這項突破性技術的正式名稱是 “基于事件的視覺傳感器”,簡稱 EVS。本次帶來的是友思特合作伙伴IDS的重磅產品——uEye EVS事件相機。
一、突破性的傳感器技術及其背景
要精確記錄和分析快速運動并非易事。 雖然高分辨率、高幀率的高速相機能捕捉豐富細節(jié),但它們產生的數據量非常龐大,給存儲、傳輸和處理都帶來了壓力。這些數據中還夾雜著大量無關的靜態(tài)信息,需要耗費大量精力去過濾。如果采用低幀率模式,數據量倒是減少了,卻容易導致畫面模糊或丟失細節(jié)。
因此,使用傳統(tǒng)相機(基于圖像的相機)往往需要在細節(jié)和數據量之間做出取舍。不過,運動信息其實還有另一種記錄方式,一種受人腦機制啟發(fā)的新型傳感器技術,可以使得效率更高,數據量大幅減少。
正是采用了這種思路。 它不再生成海量的冗余圖像信息,而是聚焦于場景中真正發(fā)生變化的部分。 這樣一來,就能用大幅縮減的數據量,獲取高精度的運動信息。這為許多應用——特別是對速度和效率要求很高的領域打開了全新的大門。 這項突破性技術的正式名稱是 “基于事件的視覺傳感器”,簡稱 EVS。
基于事件的成像(又稱神經形態(tài)傳感器技術)模擬了人類神經系統(tǒng)的信息處理方式。理解其原理的關鍵在于認識到:人類大腦的進化優(yōu)勢不僅體現在高效處理來自眼睛的大量連續(xù)光信號,更在于它能敏銳響應亮度差異、對比度和運動的變化,而忽略恒定不變的刺激。這意味著我們的大腦主要關注場景中的動態(tài)變化,而非持續(xù)捕捉靜態(tài)環(huán)境的每一個細節(jié),從而避免被冗余信息淹沒,實現快速的信息處理。
為復現這種能力,Prophesee 與索尼合作開發(fā)了專用像素電路,其核心功能是僅檢測并記錄變化。當某個像素的對比度變化超過特定閾值時,便會觸發(fā)一個“變化事件”。每個像素獨立工作,實時響應變化,不受固定幀率限制。相鄰像素事件間的最小時間間隔——稱為“時間分辨率”——是該傳感器的重要特性。索尼 IMX636 傳感器的時間分辨率高達 1 微秒,實現了超高速、近乎“無間隙”的運動捕捉。若使用傳統(tǒng)圖像傳感器達到同等變化捕捉速度,幀率需超過每秒 10,000 幀!

二、無完整畫面,僅捕捉變化
傳統(tǒng)圖像傳感器按固定間隔傳輸整個傳感器表面的完整圖像數據,而事件相機在同一時間段內通常只生成極少量的數據。這使得應用開發(fā)者無需在高幀率與海量冗余數據之間妥協(xié),即可精準捕捉快速事件。原因在于:事件相機(EVS)的數據量取決于視野內的活動強度,并隨場景動態(tài)自動調整。與固定幀率的圖像傳感器不同,事件相機像素僅在場景變化時才傳輸信息、產生數據流。
三、從運動模糊到運動清晰
傳統(tǒng)傳感器受技術限制,在拍攝快速運動時易產生運動模糊。當物體邊緣等對比度邊界在曝光期間跨越多個相鄰像素時,每個像素會采集運動物體不同位置的光線。運動越快或曝光越長,清晰無失真圖像的獲取就越困難。相比之下,事件相機像素持續(xù)分析入射光,僅通過比較器記錄光強的增減。一旦變化超過設定閾值,便生成時間精度約 1 微秒的“開”或“關”事件。即使是最快的運動,也能被事件技術逐像素精確掃描,形成高分辨率、無運動模糊的像素事件序列,清晰描繪運動軌跡。
核心機制: 每個事件像素持續(xù)監(jiān)測入射光,當光強變化(上升或下降)超過特定閾值時,即觸發(fā)“變化事件”。

每個EVS像素連續(xù)記錄入射光,并在光強超過一定閾值時產生“變化事件”,無論是向上還是向下。
圖像相機 vs. 事件相機:數據對比
特性 | 基于圖像的相機 | 基于事件的相機 |
數據內容 | 完整傳感器圖像 | 像素事件 |
附加信息 | 所有像素亮度值(0-255) 彩色信息(RGB) | 事件位置坐標(X/Y) 事件極性(開/關) 精確時間戳(T) |
數據量 | 固定幀率 規(guī)格決定 | 異步觸發(fā),與場景活動相關 |
數據特點 | 高空間分辨率 高數據速度 | 超時間分辨率 數據量小 信息效率高 |
事件相機的原生輸出數據(X/Y位置、開/關極性、時間戳T)——即變化事件流——極其緊湊高效,但不直接生成傳統(tǒng)圖像。這種形式非常適合機器與算法處理,但對人類不夠直觀。若需可視化結果,生成的圖像類似于經邊緣檢測處理后的 2D 圖像,因為運動中的對比度變化在物體邊緣最為顯著。
僅記錄關鍵變化使數據量大幅縮減,顯著降低了存儲需求和處理負擔。此外,事件信息本身就蘊含運動模式與方向特征。事件間的時間間隔可直接用于計算像素或物體的運動速度,無需從海量圖像中費力分離目標與靜態(tài)背景。
數據量的精簡使得許多分析過程可近乎實時進行。多相機系統(tǒng)的實現也更為便捷,技術復雜度顯著降低。主機 PC 的圖像處理能力要求以及線纜、電源等外圍設備均可設計得更精簡、更經濟。

五、創(chuàng)新應用:事件驅動的慢動作與流動分析
憑借微秒級精度的時間戳和每個獨立像素事件的位置,事件數據催生了全新的應用可能。變化事件本身已包含寶貴信息,并可從中推導出更多關鍵洞察。受限于固定采樣率和龐大冗余數據,傳統(tǒng)相機難以捕捉或容易丟失這類信息。
高精度慢動作: 將捕獲的像素事件按時間網格累積,可生成具有可變“曝光時間”的慢動作視頻。播放速度可靈活調整:從超慢動作(每事件一幀)到實時速度(約每 33 毫秒一幀),直至靜止圖像。匯總所有事件,即可呈現完整的運動歷史。
精準量化分析: 可直接提取速度和方向信息,對物體運動進行精確數值分析,省去復雜的圖像處理步驟。
流動可視化: 在特定時間段內累積多個像素事件的位置和時間,并在 3D 空間中呈現,可定性地展示運動路徑,有助于理解物體在時空中的運動方式。例如,在流體力學中,此方法能以精度檢測液體和氣體的流動。

基于事件的數據積累為流可視化和量化創(chuàng)造了理想的分析數據
專家點評: “在需要異常高幀率(如 1000Hz)的應用(如流動可視化)中,傳統(tǒng)圖像相機方案通常復雜且昂貴。借助事件相機技術,我們實現了相當于每秒 10,000 幀甚至更高的性能。關鍵在于,數據傳輸量顯著減少,僅需 USB 等標準接口,這使得創(chuàng)新技術對教學和研究機構具備吸引力。”
— 安德烈?布魯恩博士,亞琛 iLA_5150 GmbH 流體力學開發(fā)主管
六、新數據,新方法
要充分利用事件傳感器提供的新型信息流,開發(fā)者需突破傳統(tǒng)的周期性圖像處理框架。雖然可將事件數據匯總成傳統(tǒng)圖像幀進行處理,但是它未能充分利用事件數據的高時間精度和高效性。
高效提取和處理事件數據中的模式、運動、時間與結構信息,需要專門的功能、工具和算法。這些在現有的(基于圖像的)標準視覺框架中尚不可用。
為此,Prophesee 和索尼開發(fā)了配套處理方法,并通過 Metavision SDK 軟件開發(fā)套件提供了實用功能、詳盡文檔和豐富示例,幫助用戶快速上手并挖掘這項創(chuàng)新技術的潛力。
操作 IDS EVS 相機 “uEye XCP-E” 非常簡單。在主機 PC 安裝 IDS HAL 插件后,相機即可無縫接入 Prophesee 的 Metavision SDK。查看操作指南視頻,立即體驗。
七、實時高精度:EVS 賦能質量保證
神經形態(tài)傳感器的能力在質量保證與提升領域同樣重要,尤其適用于對檢測準確性、速度和效率要求較高的場景。例如,在機器與過程監(jiān)控中,其價值在于能以像素級精度實時捕捉微小的物體與材料變化。得益于低微秒級的時間分辨率,甚至可清晰可視化高頻振動或聲學信號。分析系統(tǒng)能及早發(fā)現異常模式(如由磨損或故障引起),預防潛在的損壞或生產中斷。
由于神經形態(tài)傳感器僅感知運動或對比度變化,其對光照變化的敏感度遠低于傳統(tǒng)系統(tǒng),在存在反射、陰影等復雜光線下表現更優(yōu)。在快速缺陷檢測、過程監(jiān)控或惡劣條件下的檢測任務中,質量保證流程必將受益于神經形態(tài)傳感器的良好性能。
八、EVS:趨勢還是必然選擇?
事件傳感器不捕捉完整圖像,僅記錄隨時間變化的像素信息。然而,這些變化可用于動態(tài)編譯出多樣化的可視化效果,為應用提供遠超傳統(tǒng)圖像傳感器的運動信息。因此,兩者并非競爭關系! 事件傳感器并非傳統(tǒng)圖像相機或 AI 圖像處理的通用替代品,而是一種互補技術。它在運動記錄方面開辟了全新維度。
在眾多應用中,單一傳感器或數據類型往往不足。通常需要融合不同信息,結合不同相機類型,才能滿足客戶需求。因此,對于高速運動分析、工業(yè)質檢、機器人技術和自主系統(tǒng)等領域,事件相機是一個前景廣闊的關鍵組件。
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