【導(dǎo)讀】現(xiàn)代圖像傳感器在工廠自動(dòng)化、視頻會(huì)議、監(jiān)控、智能門(mén)鈴和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等眾多應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越多的強(qiáng)大視覺(jué)系統(tǒng)功能。摩爾定律及其推論推動(dòng)了更節(jié)省空間、性能更好的 CMOS 圖像傳感器和處理器的發(fā)展?，F(xiàn)在，系統(tǒng)架構(gòu)師和設(shè)計(jì)人員可以"少花錢(qián)多辦事"，在相同或更小的尺寸、重量和預(yù)算限制下實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的功能和性能。
現(xiàn)代圖像傳感器在工廠自動(dòng)化、視頻會(huì)議、監(jiān)控、智能門(mén)鈴和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等眾多應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越多的強(qiáng)大視覺(jué)系統(tǒng)功能。摩爾定律及其推論推動(dòng)了更節(jié)省空間、性能更好的 CMOS 圖像傳感器和處理器的發(fā)展?，F(xiàn)在，系統(tǒng)架構(gòu)師和設(shè)計(jì)人員可以"少花錢(qián)多辦事"，在相同或更小的尺寸、重量和預(yù)算限制下實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的功能和性能。
功耗問(wèn)題
由于圖像傳感器對(duì)功耗的要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)人員一直在為如何設(shè)計(jì)視覺(jué)系統(tǒng)而不斷努力。例如，監(jiān)控應(yīng)用中的功率預(yù)算非常有限。功耗大的圖像傳感器和提供輔助照明的多個(gè) LED 大大增加了系統(tǒng)的功率需求和電源管理負(fù)擔(dān)。在機(jī)器視覺(jué)相機(jī)中，更快的幀頻和更高的分辨率會(huì)增加功耗，迫使設(shè)計(jì)人員規(guī)劃額外的功率匹配。
在門(mén)禁控制應(yīng)用中，需要使用更大的電池來(lái)維持更長(zhǎng)的充電周期。這些因素不僅增加了系統(tǒng)的成本，還顯著改變了系統(tǒng)架構(gòu)，包括期望的外形和系統(tǒng)尺寸。在許多情況下，這導(dǎo)致視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要大幅縮減設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品差異化不大。
在此必須認(rèn)識(shí)到，在視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像傳感器是唯一的數(shù)據(jù)生成器，它決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。它要求處理器處理輸入的數(shù)據(jù)，使處理引擎能夠處理這些輸入。
如果缺乏目的性或輸入質(zhì)量不佳，則會(huì)浪費(fèi)或增加本可以避免的功耗。更高的分辨率和更快的幀頻會(huì)產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，這帶來(lái)了額外的問(wèn)題，在輸出端需要有足夠的能力對(duì)這些輸入進(jìn)行處理。處理引擎（ISP 或 SoC）現(xiàn)在需要預(yù)留專(zhuān)用資源，并輔以外部存儲(chǔ)器來(lái)保存輸入的圖像數(shù)據(jù)。無(wú)論哪種情況，都會(huì)增加視覺(jué)系統(tǒng)的整體功耗、外形尺寸和成本。
在許多情況下，上述問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不大幅簡(jiǎn)化他們的設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品差異不大。這些障礙迫使人們對(duì)圖像傳感器的功能進(jìn)行更仔細(xì)的審查，并尋找能夠幫助降低視覺(jué)系統(tǒng)功耗，同時(shí)又不影響圖像質(zhì)量和運(yùn)行速度的智能圖像傳感器。
影響因素
僅在需要時(shí)喚醒傳感器
大多數(shù)應(yīng)用不需要一直處于全功能狀態(tài)（全分辨率、最大幀率），因?yàn)閳?chǎng)景不會(huì)經(jīng)常變化，或者變化對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)并不重要。在可視門(mén)鈴、監(jiān)控?cái)z像頭、（視頻）門(mén)禁系統(tǒng)等例子中就可以清楚地看到這一點(diǎn)。以較低狀態(tài)（低分辨率、低幀率）運(yùn)行視覺(jué)系統(tǒng)并節(jié)省功耗是非常有益的。主要在低狀態(tài)下運(yùn)行可以延長(zhǎng)電池供電系統(tǒng)的使用壽命，并減少所需的電池容量（mAh），從而最大限度地降低系統(tǒng)成本。
圖 1. 運(yùn)動(dòng)喚醒 (WOM) 功能高效工作模式
具有子采樣（Subsampling Mode）模式和觸發(fā)模式（Trigger Mode）的圖像傳感器可對(duì)器件進(jìn)行出色的操作控制。子采樣模式提供了控制帶寬與功耗關(guān)系的機(jī)會(huì)——可以在較低分辨率、較低幀率下運(yùn)行傳感器以降低功耗，或者在相同功耗下以較高幀率運(yùn)行。無(wú)論哪種情況，這種靈活性都有助于選擇最理想的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最低的功耗。
利用觸發(fā)模式，用戶(hù)可以控制圖像傳感器的場(chǎng)景曝光到所需的精細(xì)度，并允許讀取拍攝到的圖像數(shù)據(jù)，然后將傳感器切換到待機(jī)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下它消耗的功耗最少。在再次觸發(fā)之前，傳感器保持低功耗狀態(tài)，等待重復(fù)操作。
在傳感器內(nèi)進(jìn)行更多處理
圖像傳感器是邊緣數(shù)據(jù)捕獲器件。通常，這些器件會(huì)拍攝場(chǎng)景并提供數(shù)據(jù)。這給ISP/SoC帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)，因?yàn)樗鼈冃枰幚頂?shù)據(jù)并使其適合決策。
許多功能都可以在傳感器內(nèi)部、靠近數(shù)據(jù)源處完成，與在數(shù)據(jù)路徑的后期處理相比，輸出速度更快，保真度更高。例如，視覺(jué)系統(tǒng)可能需要更寬的動(dòng)態(tài)范圍來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的光照條件。系統(tǒng)可以通過(guò)融合場(chǎng)景的多重曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
這種融合既可以在ISP/SoC中進(jìn)行，也可以在傳感器內(nèi)部完成。后者效率更高，并能提供更優(yōu)質(zhì)的圖像，因?yàn)槿诤线壿嬂玫氖强拷盘?hào)源的信號(hào)，并最大限度地降低了過(guò)程中的功耗。而前者可能接收到的是低保真數(shù)據(jù)，這依賴(lài)于融合算法的質(zhì)量，并且由于需要在器件間傳輸數(shù)據(jù)以及片外存儲(chǔ)中數(shù)據(jù)的頻繁交換，導(dǎo)致功耗更高，處理需求更大。
如果選擇 "非智能 "傳感器，視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員往往會(huì)面臨兩難選擇，不知道用哪種方法才能實(shí)現(xiàn)最佳解決方案。所需的數(shù)據(jù)處理要么通過(guò)ISP/SoC上的硬件完成，要么通過(guò)運(yùn)行在這些器件上的軟件來(lái)完成。無(wú)論哪種情況，它們的局限性都會(huì)導(dǎo)致性能/功耗/價(jià)格達(dá)不到最佳水平，從而迫使設(shè)計(jì)人員做出代價(jià)高昂的權(quán)衡。
安森美（onsemi）圖像傳感器的架構(gòu)和設(shè)計(jì)旨在提供盡可能低功耗的視覺(jué)系統(tǒng)
要在實(shí)際成像應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)出色的性能，同時(shí)不增加圖像傳感器和整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的功耗，就需要傳感器具有更高的效率。這些傳感器必須在物理尺寸、功耗和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗苾?nèi)工作，在具備高靈敏度，提供卓越的圖像質(zhì)量的同時(shí)還要節(jié)能。
達(dá)成這一關(guān)鍵平衡是安森美 Hyperlux 圖像傳感器系列的核心追求。Hyperlux LP 產(chǎn)品系列的架構(gòu)和設(shè)計(jì)旨在最大限度地降低功耗，被公認(rèn)為領(lǐng)先業(yè)界的低功耗圖像傳感器。Hyperlux LH 產(chǎn)品系列具有更高的性能，在傳感器內(nèi)集成了多種功能，從而減少了對(duì)功能豐富的 ISP/SoC 的需求。
圖 2. Hyperlux LP 圖像傳感器系列
圖 3. Hyperlux LH 圖像傳感器系列
安森美的Hyperlux LP產(chǎn)品系列包括500萬(wàn)像素（MP）的AR0544、800萬(wàn)像素的AR0830和2000萬(wàn)像素的AR2020。Hyperlux LH產(chǎn)品系列則包含200萬(wàn)像素的AR0246、800萬(wàn)像素的AR0822以及即將發(fā)布的1200萬(wàn)像素傳感器。這些傳感器擴(kuò)展了安森美的通用圖像傳感器系列，以最大限度地降低功耗，不僅是器件本身的功耗，還降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。
這些傳感器不但功耗超低，與其他替代產(chǎn)品相比，功耗最多可降低 40%。此外，與同類(lèi)產(chǎn)品相比，它們的物理尺寸更小。
安森美 Hyperlux LP 和 Hyperlux LH 圖像傳感器采用先進(jìn)的硅和像素架構(gòu)，具有卓越的光學(xué)性能。由此產(chǎn)生的量子效率（QE）和整體數(shù)據(jù)路徑性能，即使在具有挑戰(zhàn)性的低光條件下也能提供高質(zhì)量的圖像。這極大地減少了可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域的補(bǔ)充照明，降低了視覺(jué)系統(tǒng)的總體物料（BOM） 成本。
這兩個(gè)產(chǎn)品系列都內(nèi)置了諸如運(yùn)動(dòng)喚醒（WOM）、子采樣和觸發(fā)模式等多種功能，有助于最大限度地減少系統(tǒng)級(jí)的處理延遲，降低 ISP/SoC 的功耗，并降低視覺(jué)系統(tǒng)的總體擁有成本（TCO）。通過(guò)構(gòu)建特定的功能以提供更寬的動(dòng)態(tài)范圍，這些傳感器使得智能視覺(jué)系統(tǒng)能夠提供高性能的差異化功能。
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