圖像傳感器推動(dòng)嵌入式視覺(jué)技術(shù)發(fā)展

Marie-Charlotte Leclerc

Teledyne e2v 公司

一、前言

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(wú)人機(jī)消防或用于農(nóng)業(yè)，再到生物特征面部識(shí)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(jué)比以往任何時(shí)候都更普及。嵌入式視覺(jué)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(jué)設(shè)置，在沒(méi)有外部計(jì)算機(jī)的情況下控制和處理數(shù)據(jù)。它已廣泛應(yīng)用于工業(yè)質(zhì)量控制，最為人熟悉的例子比如“智能相機(jī)”。

近年源于消費(fèi)類市場(chǎng)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。例如，小型系統(tǒng)集成商或OEM現(xiàn)在能夠小批量采購(gòu)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(hào)處理器。在軟件級(jí)方面，市面軟件庫(kù)能夠加快專用視覺(jué)系統(tǒng)的開發(fā)速度，減小配置難度，即便是針對(duì)小批量生產(chǎn)。

第二個(gè)推動(dòng)嵌入式視覺(jué)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(dòng)識(shí)別特征并實(shí)時(shí)做出決定。

能夠提供適用于嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的解決方案，對(duì)于面向這些高增長(zhǎng)應(yīng)用的成像企業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。圖像傳感器由于能夠直接影響嵌入式視覺(jué)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(dòng)因素可概括為：更小尺寸、重量、功耗和成本，英語(yǔ)簡(jiǎn)稱為 “SWaP-C”（decreasing Size, Weight,Power and Cost）。

二、降低成本至關(guān)重要

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

1、節(jié)省光學(xué)成本

減小視覺(jué)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，圖像傳感器的像素尺寸愈小，晶圓便可以制造更多的芯片；其次，傳感器可以使用更小更低成本的光學(xué)組件，二者都能夠降低固有成本。例如，Teledyne e2v的Emerald 5M傳感器把像素尺寸減小至2.8μm，讓S口（M12）鏡頭能夠用于五百萬(wàn)像素全局快門傳感器上，帶來(lái)直接的成本節(jié)省——入門級(jí)的M12鏡頭的價(jià)格約為10美元，而較大尺寸的C口或F口鏡頭成本是其10到20倍。所以減小尺寸是降低嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)成本的有效方法。

對(duì)于圖像傳感器制造商來(lái)說(shuō)，這種降低的光學(xué)成本對(duì)設(shè)計(jì)有另一個(gè)影響，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，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(lái)自廣角的畸變和聚焦光。

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(jué)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(dòng)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(chǎng)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(wú)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(shì)更為突出。

不過(guò)這些好處受到一些限制，因?yàn)镸IPI接口的連接距離限制為20cm，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(zhǎng)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(guò)3m～5m。

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(huì)在一次性開發(fā)費(fèi)上花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元，并給上市時(shí)間帶來(lái)壓力。對(duì)于嵌入式視覺(jué)，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(guò)在傳感器之間提供一定程度的交叉兼容性，例如，通過(guò)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(guò)具有共用光學(xué)中心來(lái)共享單個(gè)前端機(jī)制，以及通過(guò)兼容的PCB組件來(lái)簡(jiǎn)化評(píng)估，集成和供應(yīng)鏈，從而減小開發(fā)費(fèi)用。

為簡(jiǎn)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，如圖1所示。針腳對(duì)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。

三、能效提供更佳單獨(dú)工作能力

微型電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備是最明顯的受益于嵌入式視覺(jué)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(jué)系統(tǒng)功耗而不損采集幀率。最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)盡可能長(zhǎng)時(shí)間使用待機(jī)或閑置模式，在系統(tǒng)級(jí)最小化傳感器本身的動(dòng)態(tài)操作。待機(jī)模式通過(guò)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(dòng)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（Pdynamic∝C×V2），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1.9V降到1.2V。下一時(shí)代的傳感器將使用65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，使得嵌入式視覺(jué)應(yīng)用更省能。

最后一點(diǎn)是通過(guò)選擇合適的圖像傳感器，可以在某些條件下降低 LED 燈的能耗。有一些系統(tǒng)必須使用主動(dòng)照明，例如三維地圖生成、動(dòng)作停頓，或是純粹使用順序脈沖指定波長(zhǎng)來(lái)提高反差。在這些情形下，減低圖像傳感器在低亮度環(huán)境下的噪聲便能實(shí)現(xiàn)更低的功耗。減小了傳感器噪聲，工程人員便可決定減小電流密度強(qiáng)度，或是減小集成進(jìn)嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的LED燈數(shù)目。在其他情況下，當(dāng)圖像捕獲和LED閃爍由外部事件觸發(fā)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅髯x出結(jié)構(gòu)可以顯著節(jié)省電能。使用傳統(tǒng)卷簾快門傳感器，幀全曝光時(shí)LED燈必需全開，而全局快門傳感器則允許只在幀的某部分開動(dòng)LED燈。所以，如使用像素內(nèi)相關(guān)雙采樣（CDS）應(yīng)用下，以全局快門傳感器替代卷簾快門傳感器就可以節(jié)省照明成本，同時(shí)仍保持與顯微鏡中使用的CCD傳感器一樣低的噪聲。

四、片上功能為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的視覺(jué)系統(tǒng)鋪平了道路

嵌入式視覺(jué)的一些偏鋒延展概念引導(dǎo)我們對(duì)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(guò)，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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)并非完全不可能，而現(xiàn)在我們正處于一個(gè)過(guò)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。

例如在條形碼閱讀應(yīng)用，Teledyne e2v公司已擁有專利技術(shù)，將包含一個(gè)專有條形碼識(shí)別算法的嵌入式功能加進(jìn)傳感器芯片，這種算法可以找出每一幀幅內(nèi)的條形碼位置，讓圖像信號(hào)處理器只需聚焦于這些范圍，提高數(shù)據(jù)處理效率，如圖2所示。

另一個(gè)減少處理負(fù)載和優(yōu)化“良好”數(shù)據(jù)的功能是Teledyne e2v的專利快速曝光模式，該模式使傳感器能夠自動(dòng)校正曝光時(shí)間，以避免照明條件變化時(shí)出現(xiàn)飽和。這項(xiàng)功能優(yōu)化了處理時(shí)間，因?yàn)樗m應(yīng)了單幀中光照的波動(dòng)，而且這種快速反應(yīng)最大限度地減少了處理器需要處理的“壞”圖像的數(shù)量。

這些功能通常是特定的，需要很好地理解客戶的應(yīng)用程序。只要對(duì)應(yīng)用程序有足夠的了解，就可以設(shè)計(jì)多種其他片上功能來(lái)優(yōu)化嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)。

五、減小重量尺寸以配合最小應(yīng)用空間

嵌入式視覺(jué)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(zhǎng)電池推動(dòng)產(chǎn)品的工作時(shí)間。這就是現(xiàn)在大部份嵌入式視覺(jué)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?，F(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(chǎng)要求小于1/3in.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(jí)封裝在過(guò)去數(shù)年在市場(chǎng)迅速成長(zhǎng)，在移動(dòng)、車載電子和醫(yī)療應(yīng)用中特別明顯。相較于工業(yè)市場(chǎng)常用的傳統(tǒng)陶瓷（Ceramic Land Grid Array，CLGA）封裝，芯片級(jí)扇出封裝能夠?qū)崿F(xiàn)更高密度連接，因而是嵌入式系統(tǒng)圖像傳感器輕量化小型化挑戰(zhàn)的出色解決方案。例如Teledyne e2v的Emerald 2M圖像傳感器芯片級(jí)封裝，側(cè)高只是陶瓷封裝的一半，而尺寸則減小30%，在占位、厚度和成本上都有較大降幅，如圖3所示。

展望未來(lái)，我們預(yù)期新的技術(shù)能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)所需的更小傳感器尺寸。

三維堆棧是半導(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(duì)銅連接和過(guò)硅沖孔（Through Silicon Vias，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(hào)處理器的載荷，有助于實(shí)現(xiàn)像素芯片、仿真和數(shù)字電路，甚至是用于專門應(yīng)用的附加處理芯片組合重迭，減小傳感器面積。圖4為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與三維堆棧結(jié)構(gòu)的對(duì)比。

不過(guò)，要讓三維堆棧技術(shù)在圖像傳感器市場(chǎng)獲得廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在還面對(duì)著一些挑戰(zhàn)。首先這是一個(gè)新興的技術(shù)，其次是它的成本較高，因?yàn)樾枰郊拥墓に嚥襟E，使得芯片成本比使用傳統(tǒng)技術(shù)的芯片高三倍以上。因?yàn)槿S埋迭將主要是高性能或非常小占位尺寸的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的選擇。

六、總結(jié)

總結(jié)而言，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)可以歸納為一種“輕量”視覺(jué)技術(shù)，可以用于包括 OEM、系統(tǒng)集成商和標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)廠商等不同類型企業(yè)?！扒度胧健笔且粋€(gè)可用于不同應(yīng)用的概括性描述，因而不能開出列表說(shuō)明它的特征。不過(guò)優(yōu)化嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)有幾個(gè)適用法則，就是一般而言，市場(chǎng)推動(dòng)力并非來(lái)自超級(jí)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(jué)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(lái)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(wú)需面對(duì)更多復(fù)雜性的情況下，選擇來(lái)自消費(fèi)市場(chǎng)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(hào)處理器。

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