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技術文章
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，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。
因此，使用傳統相機（基于圖像的相機）往往需要在細節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（又稱神經形態傳感器技術）模擬了人類神經系統的信息處理方式。理解其原理的關鍵在于認識到：人類大腦的進化優勢不僅體現在高效處理來自眼睛的大量連續光信號，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變化，而非持續捕捉靜態環境的每一個細節，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。這使得應用開發者無需在高幀率與海量冗余數據之間妥協，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： 每個事件像素持續監測入射光，當光強變化（上升或下降）超過特定閾值時，即觸發“變化事件"。
每個EVS像素連續記錄入射光，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 規格決定 | 異步觸發，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，開發者需突破傳統的周期性圖像處理框架。雖然可將事件數據匯總成傳統圖像幀進行處理，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 和索尼開發了配套處理方法，并通過 Metavision SDK 軟件開發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。分析系統能及早發現異常模式（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系統，在存在反射、陰影等復雜光線下表現更優。在快速缺陷檢測、過程監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編譯出多樣化的可視化效果，為應用提供遠超傳統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、工業質檢、機器人技術和自主系統等領域，事件相機是一個前景廣闊的關鍵組件。
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