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圖像傳感器推動嵌入式視覺技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用于“智能相機(jī)”等?工業(yè)領(lǐng)域

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  • 來源：光虎光電科技（天津）有限公司

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  • 發(fā)布時(shí)間：2019-04-26 03:11:13

新的成像應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展，從工業(yè)4.0中的協(xié)作機(jī)器人，到無人機(jī)消防或用于農(nóng)業(yè)，再到生物特征面部識別，再到家庭中的護(hù)理點(diǎn)手持醫(yī)療設(shè)備。出現(xiàn)這些新應(yīng)用程序的一個(gè)關(guān)鍵因素是，嵌入式視覺比以往任何時(shí)候都更普及。嵌入式視覺不是一個(gè)新概念；它只是定義了一個(gè)系統(tǒng)，其中包括一個(gè)視覺設(shè)置，在沒有外部計(jì)算機(jī)的情況下控制和處理數(shù)據(jù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于“智能相機(jī)”等工業(yè)質(zhì)量控制。?

近年源于消費(fèi)類市場經(jīng)濟(jì)適用硬件器件的開發(fā)，相較于以往使用電腦的方案，這些器件大幅度減小了材料清單(BOM)成本和產(chǎn)品體積。舉個(gè)例子，小型系統(tǒng)集成商或OEM現(xiàn)在能夠小批量采購諸如NVIDIA Jetson的單板機(jī)或模塊系統(tǒng)；而較大型的OEM則可以直接獲得如高通驍龍(Qualcomm Snapdragon)或英特爾(Intel) Movidius Myriad 2 等圖像信號處理器。在軟件級方面，市面軟件庫能夠加快專用視覺系統(tǒng)的開發(fā)速度，減小配置難度，即便是針對小批量生產(chǎn)。

第二個(gè)推動嵌入式視覺系統(tǒng)發(fā)展的變化是機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，它使實(shí)驗(yàn)室中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠接受培訓(xùn)，然后直接上傳到處理器中，以便它能夠自動識別特征，并實(shí)時(shí)做出決定。

能夠提供適用于嵌入式視覺系統(tǒng)的解決方案，對于面向這些高增長應(yīng)用的成像企業(yè)來說至關(guān)重要。圖像傳感器由于能夠直接影響嵌入式視覺系統(tǒng)的效能和設(shè)計(jì)，因而在大規(guī)模引進(jìn)中有重要角色，而它的主要推動因素可概括為：更小尺寸、重量、功耗和成本，英語簡稱為“SWaP-C”(decreasing Size, Weight, Power and Cost)。

1. 降低成本至關(guān)重要

嵌入式視覺新應(yīng)用的加速推動器是滿足市場需求的價(jià)格，而視覺系統(tǒng)成本正是實(shí)現(xiàn)這要求的一個(gè)主要制肘。

1.1. 節(jié)省光學(xué)成本

減小視覺模塊成本的第一個(gè)途徑是縮小產(chǎn)品尺寸， 原因有兩個(gè)：首先是圖像傳感器的像素尺寸愈小，晶圓便可以制造更多的芯片；另一方面?zhèn)鞲衅骺梢允褂酶「统杀镜墓鈱W(xué)組件，二者都能夠降低固有成本。

對于圖像傳感器制造商來說，這種降低的光學(xué)成本對設(shè)計(jì)有另一個(gè)影響，因?yàn)橐话銇碚f，光學(xué)成本越低，傳感器的入射角越不理想。因此，低成本光學(xué)需要在像素上方設(shè)計(jì)特定的位移微透鏡，以補(bǔ)償來 自廣角的畸變和聚焦光。

1.2. 傳感器低成本接口

除了光學(xué)優(yōu)化，傳感器接口的選擇也間接影響視覺系統(tǒng)的成本。MIPI CSI-2接口是實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的最合適選擇（它最初是由MIPI聯(lián)盟為移動行業(yè)開發(fā)的）。它已被大多數(shù)ISP廣泛采用，并已開始在工業(yè)市場采用，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)從NXP、Nvidia、高通公司或Intel等公司的低成本的片上系統(tǒng)（SOC）或模塊上系統(tǒng)（SOM）的集成。設(shè)計(jì)一種具有MIPI CSI-2傳感器接口的CMOS圖像傳感器，無需任何中間轉(zhuǎn)換器橋，直接將圖像傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)的主機(jī)SOC或SOM，從而節(jié)省了成本和PCB空間，當(dāng)然，在基于多傳感器的嵌入式系統(tǒng)（如360度全景系統(tǒng)）中，這一優(yōu)勢更為突出。

不過這些好處受到一些限制，因?yàn)镸IPI接口的連接距離限制為20 cm，這在傳感器距離主機(jī)處理器較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程設(shè)置中可能不是最佳的。在這些配置中，以犧牲小型化為代價(jià)，使用集成更長接口的相機(jī)板解決方案是比較好的選擇。一些現(xiàn)成的解決方案可以集成，例如工業(yè)相機(jī)制造商（如Flir、AVT、Basler等）的相機(jī)板通?？稍贛IPI或USB3接口中使用，后者能夠達(dá)到的范圍可以超過3米至5米。

1.3. 減小開發(fā)成本

在投資新產(chǎn)品時(shí)，不斷上升的開發(fā)成本往往是一個(gè)挑戰(zhàn)；它可能會在一次性開發(fā)費(fèi)上花費(fèi)數(shù)百萬美元，并給上市時(shí)間帶來壓力。對于嵌入式視覺，這種壓力變得更大，因?yàn)槟K化（即產(chǎn)品能否切換使用多種圖像傳感器）是集成商的重要考慮。幸運(yùn)的是，通過在傳感器之間提供一定程度的交叉兼容性，例如，通過定義共享相同像素體系結(jié)構(gòu)的組件系列以具有穩(wěn)定的光電性能，通過具有共用光學(xué)中心來共享單個(gè)前端機(jī)制，以及通過兼容的PCB組件來簡化評估，集成和供應(yīng)鏈，從而減小開發(fā)費(fèi)用。

為簡化相機(jī)板設(shè)計(jì)（即使用于多款傳感器），有兩種方法設(shè)計(jì)傳感器封裝。針腳對針腳兼容是相機(jī)板設(shè)計(jì)人員的首選設(shè)計(jì)，因?yàn)樗苁苟喾N傳感器共享同一電路和控制，使得組裝完全不受PCB設(shè)計(jì)影響。另一個(gè)選擇是采用尺寸兼容的傳感器，這樣同一PCB可以使用多款傳感器，但是這也意味著他們可能要應(yīng)付每一款傳感器的接口和布線的差異狀況。

2. 能效提供更佳單獨(dú)工作能力

微型電池驅(qū)動的設(shè)備是最明顯的受益于嵌入式視覺的應(yīng)用程序，因?yàn)橥獠坑?jì)算機(jī)阻止任何便攜式應(yīng)用程序的發(fā)生。為了降低系統(tǒng)的能耗，圖像傳感器現(xiàn)在包含了多種功能，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠節(jié)省電力。

從傳感器角度出發(fā)，有多種方法減小嵌入式視覺系統(tǒng)功耗而不損采集幀率。最簡單的方法是通過盡可能長時(shí)間使用待機(jī)或閑置模式，在系統(tǒng)級最小化傳感器本身的動態(tài)操作。待機(jī)模式通過關(guān)閉仿真電路，把傳感器的功耗降低到工作模式的10%以下。而閑置模式則可把功耗減半，并讓傳感器在數(shù)微秒內(nèi)重新啟動獲取圖像。

而在傳感器設(shè)計(jì)集成節(jié)能的另一個(gè)方法是采用先進(jìn)光刻節(jié)點(diǎn)技術(shù)。技術(shù)節(jié)點(diǎn)越小，轉(zhuǎn)換晶體管所需的電壓便越小，由于功耗與電壓成正比(????????????????∝??×??2)，這樣就能降低功耗。所以10年前使用180nm技術(shù)生產(chǎn)的像素不單把晶體管縮小到110nm，同時(shí)也把數(shù)字電路的電壓從1.9伏降到1.2伏。下一世代的傳感器將使用65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，使得嵌入式視覺應(yīng)用更省能。

3. 片上功能為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)鋪平了道路

嵌入式視覺的一些偏鋒延展概念，引導(dǎo)我們對圖像傳感器進(jìn)行全面定制，以3D堆疊方式集成所有處理功能（芯片上的系統(tǒng)） 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能和功耗。不過，開發(fā)這一類產(chǎn)品的成本十分高昂，能夠達(dá)到這一集成水平的全定制傳感器長遠(yuǎn)來說并非完全不可能，而現(xiàn)在我們正處于一個(gè)過渡階段，包含將某些功能直接嵌入到傳感器，以減省計(jì)算負(fù)載和加快處理時(shí)間。

4. 減小重量尺寸以配合最小應(yīng)用空間

嵌入式視覺系統(tǒng)的另一主要要求是能夠配合狹小空間，或是重量要小，以便用于手持式設(shè)備/或延長電池推動產(chǎn)品的工作時(shí)間。這就是現(xiàn)在大部份嵌入式視覺系統(tǒng)使用只有1MP到5MP的低分辨率小型光學(xué)格式傳感器的原因。

減小像素芯片的尺寸只是減小圖像傳感器占位面積和重量的第一步。現(xiàn)在的65nm工藝讓我們能夠把全局快門像素尺寸減小至2.5μm而不損光電性能。這種生產(chǎn)工藝使得諸如全高清全局快門CMOS圖像傳感器能夠配合手機(jī)市場要求小于1/3英寸的規(guī)格。

減小傳感器重量和占位面積的另一主要技術(shù)是縮小封裝尺寸。芯片級封裝在過去數(shù)年在市場迅速成長，在移動、車載電子和醫(yī)療應(yīng)用中特別明顯。

三維堆棧是讓半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的創(chuàng)新技術(shù)，它的原理是在不同晶圓上制造各種電路芯片，然后利用銅對銅連接和過硅沖孔(Through Silicon Vias，簡稱TSV)技術(shù)進(jìn)行堆棧和互聯(lián)。三維堆棧因?yàn)槭嵌鄬又氐酒?，允許器件實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)傳感器更小的占位尺寸。而在三維堆棧傳感器中，讀出和處理芯片可以置于像素芯片和行譯碼器的下方。這樣，傳感器的占位尺寸因縮小的讀出和處理芯片而減小，并且可以在傳感器中加入更多處理資源以減小圖像信號處理器的載荷。

總結(jié)而言，嵌入式視覺系統(tǒng)可以歸納為一種「輕量」視覺技術(shù)，可以用于包括OEM、系統(tǒng)集成商和智能相機(jī)廠商等不同類型企業(yè)。“嵌入式 “是一個(gè)可用于不同應(yīng)用的概括性描述，因而不能開出列表說明它的特征。不過優(yōu)化嵌入式視覺系統(tǒng)有幾個(gè)適用法則，就是一般而言，市場推動力并非來自超級快的速度或超高的靈敏度，而是尺寸、重量、功耗和成本。圖像傳感器是這些條件的主要推手，所以需要小心選擇合適的圖像傳感器，以便于優(yōu)化嵌入式視覺系統(tǒng)的總體性能。合適的圖像傳感器能為嵌入式設(shè)計(jì)人員帶來更多靈活性，節(jié)省材料清單成本，減小照明和光學(xué)組件的占位面積。它也讓設(shè)計(jì)人員在無需面對更多復(fù)雜性的情況下，選擇來自消費(fèi)市場的大量經(jīng)濟(jì)適用并具有優(yōu)化深度學(xué)習(xí)功能的圖像信號處理器。

來源：網(wǎng)絡(luò)