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從醫(yī)療診斷到汽車、智能手機、和視頻監(jiān)控…攝像頭在我們的日常生活中無處不在。所以說如今的數(shù)據(jù)中有一半是圖像和視頻一點都不夸張，而且其中大部分是通過便攜式系統(tǒng)在終端生成的。與云端相比，終端設(shè)備的設(shè)計挑戰(zhàn)仍然很多。比如說，如何盡情用智能手機拍攝精美照片的同時，又不必擔心電池電量問題呢？自動駕駛系統(tǒng)如何在無需大規(guī)模云數(shù)據(jù)處理的情況下同時分析來自近10個攝像頭的圖像呢？攝像頭開發(fā)團隊常常遇到的痛點包括不斷變化的規(guī)格、設(shè)計和制造之間的差異，以及設(shè)計和組裝多個組件所帶來的復雜性，若想更好地設(shè)計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技術(shù)。數(shù)字孿生是一項關(guān)鍵的使能技術(shù)，不僅適用于飛機或復雜的發(fā)電廠，還適用于成像系統(tǒng)。數(shù)字孿生能夠通過仿真優(yōu)化產(chǎn)品生命周期，從而實現(xiàn)更高的規(guī)格（避免過度規(guī)格設(shè)定）和過程控制預(yù)測，并支持更早地介入軟件開發(fā)。數(shù)字孿生還能催生出定制成像系統(tǒng)，例如無需“始終在線”的高效視頻監(jiān)控攝像頭。在本文中，我們將介紹數(shù)字孿生如何通過成像仿真助力成像系統(tǒng)實現(xiàn)更好、更精簡的規(guī)格和虛擬測試。

攝像頭系統(tǒng)：精密而又復雜

成像系統(tǒng)是一個多尺度、多重物理量模型，具有多個相互依賴的組件：

鏡頭組從場景中捕捉光子；

CMOS圖像傳感器將這些光子轉(zhuǎn)換成電子；

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

數(shù)字信號處理器計算數(shù)字圖像以獲取信息；

I/O芯片將成像系統(tǒng)與某個外部組件相連；

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)碼單反相機拍攝的高品質(zhì)圖像。但是，如果將該標準運用于土壤監(jiān)測、醫(yī)療診斷或自動駕駛的圖像，可能會導致出現(xiàn)過高規(guī)格或錯誤的預(yù)期結(jié)果。下面我們來看看成像系統(tǒng)架構(gòu)師和團隊如何利用新思科技光學解決方案的成像仿真功能來渲染和優(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光子器件工具來仿真圖像。在該示例中，成像系統(tǒng)包含一個由四個鏡片構(gòu)成的鏡頭組和一個具有微透鏡陣列的1.12微米RGB像素CMOS傳感器。

▲配備四個鏡片和CMOS傳感器的成像系統(tǒng)示例

1. 使用CODE V根據(jù)鏡頭組光學特性仿真成像結(jié)果 第一步是設(shè)計鏡頭組并生成相應(yīng)的PSF。我們使用CODE V中的圖像仿真（IMS）功能來仿真成像結(jié)果。開發(fā)者可以將任意2D圖像導入到該工具中，然后定義FFT網(wǎng)格大小并計算通過鏡頭后的PSF網(wǎng)格，并可以添加顏色、相對照度參數(shù)和圖像傳感器屬性，如像素大小和像素數(shù)量。IMS將根據(jù)通過CODE V定義和計算的光學參數(shù)來計算輸入圖像的卷積，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計算鏡頭組光學參數(shù)得到的卷積結(jié)果然后，開發(fā)者可以在模擬圖像上評估圖像質(zhì)量。通過進一步優(yōu)化鏡頭組，便可以為目標應(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)過進一步優(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。開發(fā)者們可以使用RSoft光子器件工具和LightTools來預(yù)測成像系統(tǒng)簡化示例中的鬼影和眩光。由于傳感器的衍射和反射特性，開發(fā)者需要預(yù)測系統(tǒng)中的雜散光。CMOS圖像傳感器通常是微米大小像素的集合，這些像素會產(chǎn)生強衍射譜，因此必須使用RSoft光子器件工具來獲得該表面的光學特性。更具體地說，DiffractMOD RCWA是縝密計算橫向周期性器件衍射特性的有效工具。它可以輸出各個衍射級的反射/透射功率、全反射/透射、各個衍射級的振幅/相位/角度，以及仿真域中的場分布。所有結(jié)果都存儲在BSDF文件中，并可以導出到LightTools來做進一步的仿真。第三步是從CODE V導入鏡頭組幾何形狀，添加傳感器屬性，從RSoft導入BSDF文件，添加光源（下圖中為太陽光源），并使用LightTools的光線路徑工具來運行蒙特卡洛仿真，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將來自CODE V的仿真成像結(jié)果與使用LightTools和RSoft計算得出的雜散光相結(jié)合。在這個卷積中可以調(diào)整亮度系數(shù)和能量比。

▲結(jié)合來自CODE V的仿真圖像與來自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

通過利用仿真圖像上的圖像質(zhì)量指標來評估圖像，能夠進一步優(yōu)化系統(tǒng)，從而達到適合目標應(yīng)用的規(guī)格。通過CODE V、LightTools和RSoft光子器件工具對仿真圖像進行虛擬測試是一個強大的工作流程，不僅可以避免成像系統(tǒng)超規(guī)格，而且還可以通過仿真預(yù)測組裝和測試階段來節(jié)省時間。

原文標題：當鏡頭設(shè)計遇上數(shù)字孿生

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