習(xí)慣上機(jī)器視覺被定義為：用于檢查、過程控制及自動(dòng)導(dǎo)航的電子成像。在機(jī)器視覺應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)（不是人類）使用成像技術(shù)來捕獲圖像作為輸入來實(shí)現(xiàn)提取和傳遞信息輸出的目的。除傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）技術(shù)及智能安全系統(tǒng)的機(jī)器視覺能力均要求使用先進(jìn)的數(shù)字成像技術(shù)。該技術(shù)可使機(jī)器視覺在低光或無光條件下“看得”更清晰、更遠(yuǎn)，由于無需可見光源，所以不會(huì)干擾人類正?；顒?dòng)。

從以往的經(jīng)驗(yàn)來看，機(jī)器視覺技術(shù)需要依賴于大量光源來捕捉圖像，可用光源包括熒光、石英鹵素、LED、金屬鹵化物（汞）以及氙氣。當(dāng)單獨(dú)使用其中一種光源時(shí)，就需要耗費(fèi)大量能耗，且生成的圖像質(zhì)量很差。如此來看，這些光源并不能滿足已超越傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用范疇的使用需求。

AR/VR、安全系統(tǒng)以及ADAS駕駛監(jiān)控采用了眼動(dòng)追蹤、面部識(shí)別、手勢控制和人臉識(shí)別技術(shù)，以及集成了帶有夜視功能的ADAS環(huán)視（surround-view）攝像頭等功能，但這些應(yīng)用要達(dá)到預(yù)期的效果，均需要可見光光譜以外的照明。在過去幾年中，數(shù)字近紅外（NIR）成像技術(shù)的進(jìn)步已徹底革新了機(jī)器視覺和夜視的能力。 NIR為何是當(dāng)前機(jī)器視覺應(yīng)用的必要條件？

NIR用于在可見光光譜范圍之外的物體或場景照明，并使攝像頭能夠在超出人類視覺能力的低光或無光情況下“看到”。雖然在某些應(yīng)用中低級(jí)別LED仍需增加NIR，但NIR需要的電能非常少且?guī)缀醪粫?huì)干擾用戶。在如AR/VR或駕駛監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用中，NIR的這些特點(diǎn)對(duì)于精確地眼動(dòng)追蹤和手勢控制是非常重要的。而在安全攝像頭應(yīng)用的案例中，NIR可在入侵者不知情的情況下監(jiān)控他們。

此外，NIR在夜視條件下比可見光產(chǎn)生更多光子，該特點(diǎn)使其成為夜視應(yīng)用的理想選擇。舉例說明，下面我們?cè)贏DAS系統(tǒng)中，比較夜視條件下兩種方法的優(yōu)劣。其中一家汽車制造商使用了一種被動(dòng)式遠(yuǎn)紅外（FIR）系統(tǒng)，它可根據(jù)物體熱量記錄圖像并顯示為明亮的負(fù)像。雖然能探測的有效距離高達(dá)980英尺，但由于它是依賴于物體發(fā)出的熱量來記錄，所以產(chǎn)生的圖像并不清晰。而另一家汽車制造商采用了NIR技術(shù)，該技術(shù)可在黑暗中產(chǎn)生鮮明清晰的圖像，就好像用汽車遠(yuǎn)光燈照著拍攝一樣。不管物體溫度如何，其圖像均可被捕捉到。但是，該NIR系統(tǒng)的最大有效探測距離為600英尺。

NIR的局限性

大多數(shù)情況下，NIR相比其它替代方法的改進(jìn)顯著，但使用它并不是沒有挑戰(zhàn)。NIR成像系統(tǒng)的有效范圍與其靈敏度直接相關(guān)。最好條件下，目前的NIR傳感器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)≤ 800nm的靈敏度。如果可將NIR成像系統(tǒng)的靈敏度增加到850 nm或更高時(shí)，那么就可進(jìn)一步擴(kuò)大其有效距離。

NIR光學(xué)成像的有效距離是由兩個(gè)關(guān)鍵測量參數(shù)決定：量子效率（QE）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。成像儀的QE代表其捕獲的光子與轉(zhuǎn)化為電子的光子的比率。QE越高，NIR照明距離就越遠(yuǎn)，圖像也就越亮。100%的QE意味著所有被捕獲的光子都被轉(zhuǎn)化為電子，從而可實(shí)現(xiàn)最亮的可能圖像。但目前，即使是最好的NIR傳感器技術(shù)也只實(shí)現(xiàn)了58%的QE。

MTF則是測量圖像傳感器以特定分辨率從物體到圖像的傳遞對(duì)比能力。MTF越高，圖像就越清晰。MTF受到從像素跳出的電子信號(hào)噪聲的影響。因此，為了維持穩(wěn)定的MTF并實(shí)現(xiàn)清晰的圖像，電子需要時(shí)刻保持在像元中。 圖1 該模擬圖像可顯示低MTF與高M(jìn)TF之間的明顯差別。