物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的圖像傳感器

Chris Yiu

自“新基建”概念提出以來(lái)，政策層面多次發(fā)布相關(guān)支持政策，以加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，并進(jìn)一步注重調(diào)動(dòng)民間投資積極性。一時(shí)間，“新基建”成為社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)，同時(shí)也加速了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)。據(jù)估計(jì)，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量正在以每秒127臺(tái)的速度不斷增加，到2020年底將達(dá)到310億臺(tái)的驚人數(shù)量。

CMOS圖像傳感器，物聯(lián)網(wǎng)感知層面的核心

物聯(lián)網(wǎng)，其核心的應(yīng)用場(chǎng)景便是通過(guò)感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的全面感知，并且對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理之后，操控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行智能化的工作。其中，“感知”是為了收集各種有效數(shù)據(jù)用于下一步的“計(jì)算”及“決策”，因此也是物聯(lián)網(wǎng)工作模式的核心之一。

好比眼睛是人類(lèi)最重要的感官之一，而圖像傳感器就是物聯(lián)網(wǎng)“感知”外界信息的一類(lèi)重要組成部件。在各種物聯(lián)網(wǎng)落地應(yīng)用中（物體檢測(cè)， 手勢(shì)識(shí)別，車(chē)牌識(shí)別、人臉識(shí)別、自動(dòng)追蹤等），均需要選用大量圖像傳感器用于采集圖像信息。根據(jù)一些業(yè)內(nèi)人士的分析，在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中，來(lái)自圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)將成為最主要的組成部分之一。

以物聯(lián)網(wǎng)下最熱門(mén)的應(yīng)用場(chǎng)景汽車(chē)應(yīng)用為例，從當(dāng)前具備聯(lián)網(wǎng)功能的智能汽車(chē)原型車(chē)可以看到，整車(chē)僅CMOS圖像傳感器就配備了四個(gè)用于環(huán)視圖像數(shù)據(jù)的收集，部分車(chē)型還計(jì)劃配備代替后視鏡的后視攝像頭、用于關(guān)注乘客以及駕駛員狀態(tài)的艙內(nèi)攝像頭等多個(gè)CMOS圖像傳感器應(yīng)用。而隨著聯(lián)網(wǎng)智能汽車(chē)的智能化等級(jí)逐步上升，還將配備更多的圖像傳感器以分別針對(duì)路況、道路標(biāo)識(shí)、移動(dòng)物體識(shí)別等多種需求。

同樣，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，CMOS圖像傳感器收集到的圖像數(shù)據(jù)也已經(jīng)作為工業(yè)智能化必須的感知基礎(chǔ)被越來(lái)越多的企業(yè)所重視。從產(chǎn)品條碼的掃碼器，到生產(chǎn)線上用于產(chǎn)品外觀檢測(cè)的攝像頭，CMOS圖像傳感器正出現(xiàn)在智能工廠中越來(lái)越多的角落。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中CMOS圖像傳感器面臨兩大挑戰(zhàn)

此前，CMOS圖像傳感器主要應(yīng)用在手機(jī)等消費(fèi)電子領(lǐng)域中，因此其技術(shù)開(kāi)發(fā)方向往往是依托現(xiàn)有的電池技術(shù)、圖像處理技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，向著更高的像素、更強(qiáng)大的夜景功能等方向發(fā)展。然而，在新興的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，CMOS圖像傳感器有其獨(dú)特的挑戰(zhàn)，其中最主要的挑戰(zhàn)有兩個(gè)——多樣的應(yīng)用場(chǎng)景、嚴(yán)苛的部署條件。

由于在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，CMOS圖像傳感器被應(yīng)用在多樣的場(chǎng)景中，不同的場(chǎng)景往往會(huì)對(duì)傳感器的性能提出獨(dú)特的要求。高速運(yùn)動(dòng)就是其中一種常見(jiàn)的場(chǎng)景，通常出現(xiàn)在車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中。傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器往往通過(guò)逐行曝光來(lái)獲取圖像數(shù)據(jù)，然而在高速運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)、生產(chǎn)線上，逐行曝光獲得的圖像數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的變形，也就是業(yè)內(nèi)所稱(chēng)的“果凍效應(yīng)”。

此外，不少物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用被部署在室外、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)附近、工作環(huán)境惡劣的工業(yè)流水線等場(chǎng)景中，因此，如何讓CMOS圖像傳感器能夠變得足以適應(yīng)惡劣的工況，也是CMOS圖像傳感器廠商不得不重點(diǎn)考慮的技術(shù)研發(fā)方向。

同時(shí)，大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備往往需要隨時(shí)隨地不引起注意地在有線、無(wú)線（電池供電）的狀態(tài)下進(jìn)行“全天候運(yùn)作”（Always-on），如何賦能這類(lèi)“全天候物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”成為了圖像傳感器廠商的新課題。

極速上電及超低功耗，擴(kuò)大CMOS圖像傳感器部署邊界

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者而言，僅僅將現(xiàn)有用于手機(jī)或者安防攝像頭的CIS直接應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中，會(huì)遇到許多技術(shù)問(wèn)題，其中最主要的問(wèn)題便是功耗。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備的使用需求，往往需要保持“全天候應(yīng)用”（Always- on）的狀態(tài)，而同時(shí)很大一部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都依靠電池供電，降低CIS的耗電對(duì)于提升電池壽命十分重要。因此，如何針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功耗敏感的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的CIS產(chǎn)品，成為了橫亙?cè)贑IS廠商邁入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域之路上的最大障礙。

思特威前不久推出的針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的系列CMOS圖像傳感器SC210IoT，搭載AEC功能，在進(jìn)入休眠時(shí)會(huì)自主記憶休眠前最后的成像數(shù)據(jù)，從而大大降低下次喚醒時(shí)所需的場(chǎng)景數(shù)據(jù)收集和匹配數(shù)據(jù)校正時(shí)間。從而實(shí)現(xiàn)“極速上電啟動(dòng)”，平均出圖時(shí)間可縮短至60～70毫秒。對(duì)于例如架設(shè)于室內(nèi)外的家居型監(jiān)控設(shè)備，這一功能可實(shí)現(xiàn)迅速響應(yīng)，不錯(cuò)失記錄片刻異常狀況的發(fā)生。而另一方面，當(dāng)異狀消失后，攝像頭將恢復(fù)休眠狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)“按需啟動(dòng)”，大大減少功耗。經(jīng)測(cè)試SC210IoT的工作功耗僅70毫瓦，待機(jī)功耗更是小于10微瓦，有效滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)超低功耗的需求。

應(yīng)對(duì)復(fù)雜光線環(huán)境挑戰(zhàn)，讓物聯(lián)網(wǎng)的“眼睛”日夜都清晰

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展以及智能家居市場(chǎng)的升溫，各類(lèi)家用物聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品目前已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，對(duì)于“全天候應(yīng)用”的智能家居類(lèi)設(shè)備，在日夜以及室內(nèi)外都需要看護(hù)的智能家居場(chǎng)景下，不但要在白天擁有高品質(zhì)的圖像獲取能力，更要應(yīng)對(duì)黃昏及夜晚的超低光照環(huán)境。

而且在諸如隧道、室內(nèi)外交界處等環(huán)境下，圖像傳感器需要同時(shí)對(duì)多個(gè)光線亮暗程度差異巨大的區(qū)域進(jìn)行成像。傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器難免會(huì)出現(xiàn)亮區(qū)過(guò)曝或暗區(qū)無(wú)法清晰成像的問(wèn)題。

針對(duì)這一成像問(wèn)題，思特威推出了SC5335 CMOS圖像傳感器，該圖像傳感器使用的是業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的DSI像素技術(shù)，作為思特威自主研發(fā)的SmartPixel-2技術(shù)，DSI像素技術(shù)的成像性能較第一代所采用的FSI技術(shù)具有顯著提升，依靠DSI像素技術(shù)帶來(lái)的高靈敏度和高信噪比，能夠在光線條件不利的夜間及晨昏均實(shí)現(xiàn)清晰成像，解決了家用監(jiān)控應(yīng)用中常見(jiàn)的夜視不清晰、“蒙霧”等成像問(wèn)題，提供超低光照條件下更卓越的成像性能，也為基于清晰的圖像信息下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤移動(dòng)物體等智能化物聯(lián)應(yīng)用提供了可靠的運(yùn)算基礎(chǔ)。今年年初在CES 2020上斬獲創(chuàng)新類(lèi)產(chǎn)品大獎(jiǎng)的Swann Security Tracker攝像機(jī)搭載的正是這款CMOS圖像傳感器。

全局快門(mén)技術(shù)高效賦能多元化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

針對(duì)前文提到的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，為了應(yīng)對(duì)果凍效應(yīng)，業(yè)內(nèi)提出了全局快門(mén)的技術(shù)概念，通過(guò)所有像素同時(shí)感應(yīng)光線、同時(shí)曝光，來(lái)確保傳感器讀出的是同一時(shí)間點(diǎn)的同一個(gè)畫(huà)面，從根本上杜絕圖像在高速運(yùn)動(dòng)下的變形。

思特威在2018年發(fā)布的SmartGS系列BSI全局快門(mén)CMOS圖像傳感器，憑借先進(jìn)的BSI像素工藝結(jié)合全局快門(mén)技術(shù)，有效減少捕捉快速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)常會(huì)出現(xiàn)的形變及運(yùn)動(dòng)偽影，大幅提升高速移動(dòng)物體圖像識(shí)別效率。

圖3左圖是采用全局快門(mén)技術(shù)的 SmartSens SC132GS拍攝的圖片，右圖是傳統(tǒng)逐行掃描的傳感器拍攝的圖片，可以明顯看出用傳統(tǒng)傳感器拍攝高速運(yùn)動(dòng)的風(fēng)扇，物體會(huì)變形。并且，在有光線明暗變化的時(shí)候，擁有單幀HDR功能的SC132GS的成像不會(huì)有明暗瑕疵，足以展現(xiàn)更多細(xì)節(jié)。

目前，SC132GS已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括智能人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)、無(wú)現(xiàn)金支付掃碼/掃臉設(shè)備、智能手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)、智能可視門(mén)鈴、智能冰箱、智能掃地機(jī)器人及智能家用嬰幼監(jiān)控等，更是在智能物流系統(tǒng)下的各類(lèi)掃碼應(yīng)用設(shè)備中扮演著重要的角色。

人工智能+物聯(lián)網(wǎng)，機(jī)器視覺(jué)未來(lái)可期

在物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)中，利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化的物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了最主要的發(fā)展趨勢(shì)。在這一發(fā)展過(guò)程中，依托CMOS圖像傳感器作為感知核心的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。

作為一家已經(jīng)在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域嶄露頭角的國(guó)內(nèi)CMOS圖像傳感器企業(yè)，思特威的理念始終是服務(wù)于應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)市場(chǎng)和應(yīng)用技術(shù)的需求，將看清萬(wàn)物的“眼”做到極致。相信通過(guò)不斷完善提升CMOS成像傳感器的設(shè)計(jì)和制造能力，以此為基石的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的前景未來(lái)大有可期。