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圖像傳感器推動(dòng)嵌入式視覺技術(shù)發(fā)展

MEMS ? 來源:未知 ? 作者:彭濤 ? 2019-05-13 10:01 ? 次閱讀

據(jù)麥姆斯咨詢介紹,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(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)。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。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(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(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)。

1. 降低成本至關(guān)重要嵌入式視覺新應(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。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像素全局快門傳感器上,帶來直接的成本節(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系統(tǒng)成本的有效方法。

對(duì)于圖像傳感器制造商來說,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(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)?a target="_blank">嵌入式系統(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(huì)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(duì)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(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。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。

圖像傳感器推動(dòng)嵌入式視覺技術(shù)發(fā)展

圖1 圖像傳感器可經(jīng)設(shè)計(jì)提供針腳兼容(圖左)或尺寸兼容(圖右)以實(shí)現(xiàn)專有PCB布局設(shè)計(jì)

2. 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(jiǎn)單的方法是通過盡可能長(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,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。

最后一點(diǎn)是,通過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份開動(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。

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(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,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。

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。

圖像傳感器推動(dòng)嵌入式視覺技術(shù)發(fā)展

圖2 Teledyne e2v Snappy五百萬像素芯片,自動(dòng)識(shí)別條形碼位置

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優(yōu)化嵌入式視覺系統(tǒng)。

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(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1/3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(jí)封裝在過去數(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。相較用工業(yè)市場(chǎng)常用的傳統(tǒng)陶瓷(Ceramic Land Grid Array,簡(jiǎn)稱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%。

圖像傳感器推動(dòng)嵌入式視覺技術(shù)發(fā)展

圖3 同一芯片采用CLGA封裝(圖左)和晶圓級(jí)扇出有機(jī)封裝(圖右)的比較,后者能夠減少占位、厚度和成本

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

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(duì)銅連接和過硅通孔(Through Silicon Vias,簡(jiǎn)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(hào)處理器的載荷。

圖像傳感器推動(dòng)嵌入式視覺技術(shù)發(fā)展

圖4 三維芯片堆棧技術(shù)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

不過,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系統(tǒng)的選擇。

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)集成商和標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)廠商等不同類型企業(yè)?!扒度胧?“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(chǎng)推動(dòng)力并非來自超級(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(duì)更多復(fù)雜性的情況下,選擇來自消費(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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    (EVS)。這兩款專為工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)的傳感器實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最小(相比其它堆疊基于事件的視覺傳感器)的4.86 μm像素尺寸,并且只有在感知到場(chǎng)景變化時(shí)才會(huì)進(jìn)行捕捉記錄。 ? 01 事件相機(jī)
    的頭像 發(fā)表于 11-16 10:12 ?2316次閱讀
    傳統(tǒng)基于幀的<b class='flag-5'>圖像</b><b class='flag-5'>傳感器</b>輸出和基于事件的<b class='flag-5'>視覺</b><b class='flag-5'>傳感器</b>輸出對(duì)比

    未來嵌入式在哪些方向會(huì)更火?

    傳感器,對(duì)患者的生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),如:心率、血壓等等;利用嵌入式設(shè)備可以幫助醫(yī)生更加精確的操作,提高手術(shù)成功率等等都是離不開嵌入式技術(shù)的,總之
    發(fā)表于 10-27 10:23