圖像傳感器何以推動(dòng)嵌入式視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展？

圖像傳感器推動(dòng)嵌入式視覺(jué)技術(shù)發(fā)展

新的成像應用正在蓬勃發(fā)展，從工業(yè)4.0中的協(xié)作機器人，到無(wú)人機 消防或用于農業(yè)，再到生物特征面部識別，以及家庭中的護理點(diǎn)手  持醫療設備。這些新應用場(chǎng)景出現的一個(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，其中包括一個(gè)視覺(jué)設置，該設置在沒(méi)有外部計算機  的情況下控制和處理數據。它已廣泛應用于工業(yè)質(zhì)量控制，為人熟悉的例子比如“智能相機”。

近年源于消費類(lèi)市場(chǎng)經(jīng)濟適用硬件器件的開(kāi)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，小型系統集成商或OEM現在能夠小批量采購諸如  NVIDIA Jetson的單板機或模塊系統；而較大型的OEM則可以直接 獲得如高通驍龍(Qualcomm Snapdragon)的圖像信號處理器。 在軟件級方面，市面軟件庫能夠加快專(zhuān)用視覺(jué)系統的開(kāi)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(dòng)嵌入式視覺(jué)系統發(fā)展的變化是機器學(xué)習的出現，它使實(shí) 驗室中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )能夠接受培訓，然后直接上傳到處理器中，以便 它能夠自動(dòng)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(jué)系統的解決方案，對于面向這些高增   長(cháng)應用的成像企業(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)系統的效能和設計，因而在大規模引進(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(chēng)為“SWaP-C”(decreasing Size, Weight, Power and Cost).

01 降低成本至關(guān)重要

嵌入式視覺(jué)新應用的加速推動(dòng)器是滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的價(jià)格，而視覺(jué)系 統成本正是實(shí)現這要求的一個(gè)主要制肘。

■ 節省光學(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2.8 μm，讓S口(M12) 鏡頭能夠用于五百萬(wàn)像素全局快門(mén)傳感器上，帶來(lái)直接的成本節省──入門(mén)級的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)系統成本的有效方法。

對于圖像傳感器制造商來(lái)說(shuō)，這種降低的光學(xué)成本對設計有另一個(gè) 影響，因為一般來(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)需要在像素上方設計特定的位移微透鏡，這樣它就 可以補償扭曲，并聚焦來(lái)自廣角的光線(xiàn)。

■ 高成本效益的傳感器接口

除了光學(xué)優(yōu)化，傳感器接口的選擇也間接影響視覺(jué)系統的成本。MIPI CSI-2接口是實(shí)現節約成本的合適選擇（它最初是由MIPI聯(lián)盟為移動(dòng)行業(yè)開(kāi)發(fā)的）。它已被大多數ISP廣泛采用，并已開(kāi)始在工業(yè)市場(chǎng)采用，因為它提供了一個(gè)從NXP、NVIDIA、高通公 司、Rockchip、Intel以及其他公司的低成本的片上系統（SOC）或 模塊上系統（SOM）的輕便集成。設計一種具有MIPI CSI-2傳感  器接口的CMOS圖像傳感器，無(wú)需任何轉接橋，直接將圖像傳感器 的數據傳輸到嵌入式系統的主機SOC或SOM，從而節省了成本和 PCB空間，當然，在基于多傳感器的嵌入式系統（如360度全景系統）中，這一優(yōu)勢更為突出。

不過(guò)這些好處受到一些限制。目前在機器視覺(jué)行業(yè)中廣泛使用的MIPI CSI-2 D-PHY標準依賴(lài)于高成本效益的扁平排線(xiàn)，其缺點(diǎn)是連接距離限制為20厘米，這在傳感器離主處理器較遠的遠程云臺設置中可能不是最佳選擇，在交通監控或環(huán)視應用中經(jīng)常是這樣的。延長(cháng)連接距離的解決方案之一，是在MIPI傳感器板和主機處理器之間放置額外的中繼器板，但這是以犧牲小型化為代價(jià)的。還有其他解決方案，不是來(lái)自移動(dòng)行業(yè)，而是來(lái)自汽車(chē)行業(yè)：即所謂的FPD-Link III和MIPI CSI-2 A-PHY標準支持同軸或差分對線(xiàn)，允許連接距離達15米。

■ 降低開(kāi)發(fā)成本

在投資新產(chǎn)品時(shí)，不斷上升的開(kāi)發(fā)成本往往是一個(gè)挑戰；它可能會(huì )在一次性投入成本(NRE)上花費數百萬(wàn)美元，并給上市時(shí)間帶來(lái)壓力。對于嵌入式視覺(jué)，這種壓力變得更大，因為模塊化（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。幸運的是，一次性開(kāi)發(fā)成本是可以控制的，具體方法是在傳感器之間提供一定程度的交叉兼容性，例如，通過(guò)定義合并/共享相同的像素結構以獲得穩定的光電性能，通過(guò)相同的光學(xué)中心來(lái)共享單個(gè)前端結構，以及兼容的PCB組件 (方法是尺寸兼容或針腳兼容)，從而加快評估、集成和供應鏈，如圖1所示。

圖1：圖像傳感器平臺可經(jīng)設計提供針腳兼容(圖左)或尺寸兼容(圖 右)以實(shí)現專(zhuān)有PCB布局設計

如今，隨著(zhù)所謂的模塊和板級解決方案的廣泛發(fā)布，嵌入式視覺(jué)系 統的開(kāi)發(fā)速度更快，價(jià)格也更實(shí)惠。這些一站式產(chǎn)品通常包括一個(gè) 可隨時(shí)集成的傳感器板，它有時(shí)還包括一個(gè)預處理芯片、一個(gè)機械正面和/或一個(gè)鏡頭接口。這些解決方案通過(guò)高度優(yōu)化的尺寸和標  準化的連接器為應用帶來(lái)好處，使其能夠直接連接到現成的處理板，如NVIDIA Jetson或NXP i.MX ones，而不需要設計或制造中間的轉接板。

通過(guò)消除PCB設計和制造的需要，這些模塊或板級 解決方案不僅簡(jiǎn)化并加快了硬件開(kāi)發(fā)，而且還大大縮短了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，因為它們大部分時(shí)間都是與Video4Linux驅動(dòng)程序一起提供的。因此，原始設備制造商和視覺(jué)系統制造商可以跳過(guò)使圖像傳感 器與主處理器通信的數周開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而專(zhuān)注于其與眾不同的軟件 和整體系統設計。光學(xué)模組，如Teledyne e2v提供的模組，通過(guò)將 鏡頭集成在模組內，提供從光學(xué)到驅動(dòng)器直至傳感器板的完整封  裝，并省去與鏡頭組裝和測試相關(guān)的任務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)了一站式方  案方面的發(fā)展。

圖2：新模組（右側）允許通過(guò)排線(xiàn)直接連接到現成的處理板 （左側），而無(wú)需設計任何其他轉接板。

02 提高自主性能效

由于外接計算機妨礙了便攜式應用，由微型電池供電的設備是受益于嵌入式視覺(jué)的明顯的應用實(shí)例。為了降低系統的能耗，圖像傳感 器現在包含了多種功能，使系統設計者能夠節省能耗。

從傳感器的角度來(lái)看，有多種方法可以在不降低采集幀率的情況下 降低視覺(jué)系統的功耗。最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)盡可能長(cháng)時(shí)間使用待機 或閑置模式，在系統層面最小化傳感器本身的動(dòng)態(tài)操作，從而降低  傳感器本身的功耗。待機模式通過(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，并且能  夠讓傳感器在數微秒內重新啟動(dòng)獲取圖像。

另一個(gè)節能方法是采用更先進(jìn)的光刻節點(diǎn)技術(shù)來(lái)設計傳感器。技術(shù) 節點(diǎn)越小，切換晶體管所需的電壓越低，這就降低了動(dòng)態(tài)功耗，因  為功耗與電壓平方成正比：P_dynamic∝C×V2。所以十年前使用180    nm技術(shù)生產(chǎn)的像素不單把晶體管縮小到110 nm，同時(shí)也把數字電 路的電壓從1.8V降到1.2V。下一世代的傳感器將使用65nm技術(shù)節 點(diǎn)，使得嵌入式視覺(jué)應用更節能。

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。有一些系統必須使用主動(dòng)照明，例如三維地圖的生 成、動(dòng)作停頓、或是單純使用順序脈沖指定波長(cháng)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)現更低的 功耗。減小了傳感器噪聲，工程人員便可確定減小電流強度，還是  減小集成進(jìn)嵌入式視覺(jué)系統的LED燈數目。在其他情況下，當圖像  捕獲和LED閃爍由外部事件觸發(fā)時(shí)，選擇適當的傳感器讀出結構可 以顯著(zhù)節省電能。當使用傳統卷簾快門(mén)傳感器時(shí)，幀全曝光時(shí)LED燈必需全開(kāi)，而全局快門(mén)傳感器則允許只在幀的某部份開(kāi)動(dòng)LED    燈。所以在使用像素內相關(guān)雙采樣(CDS)時(shí)，以全局快門(mén)傳感器替 代卷簾快門(mén)傳感器就可以節省照明成本，同時(shí)仍保持與顯微鏡中  使用的CCD傳感器一樣低的噪聲。

03 片上功能為視覺(jué)系統的程序設計鋪平了道路

嵌入式視覺(jué)的一些拓展概念，引導我們對圖像傳感器進(jìn)行全面定  制，以3D堆疊的方式集成所有處理功能（芯片上的系統）以實(shí)現優(yōu) 化性能和功耗。不過(guò)，開(kāi)發(fā)這一類(lèi)產(chǎn)品的成本十分高昂，能夠達到  這一集成水平的全定制傳感器從長(cháng)遠來(lái)說(shuō)并非完全不可能，而現在 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 降低計算負載和加快處理時(shí)間。

例如在條形碼閱讀應用，Teledyne e2v公司已擁有專(zhuān)利技術(shù)，將包 含一個(gè)專(zhuān)有條形碼識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的條形碼位置，讓圖像信號處理器只需聚  焦于這些范圍，提高數據處理效率

圖3. Teledyne e2v SNAPPY五百萬(wàn)像素芯片自動(dòng)識別條形碼位置

另一個(gè)減少處理負載和優(yōu)化“良好”數據的功能是Teledyne e2v 的專(zhuān)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)出現飽和。這項功能優(yōu)化了處理時(shí)間，因為它適應了單幀中光照的波動(dòng)，而且這種快速反應最大限度地減少了處理器需要處理的“壞”圖像的數量。

這些功能通常是特定的，需要很好地理解客戶(hù)的應用程序。只要對應用程序有足夠的了解，就可以設計多種其他片上功能來(lái)優(yōu)化嵌入 式視覺(jué)系統。

04 減小重量和尺寸以減少應用空間

嵌入式視覺(jué)系統的另一主要要求是能夠配合狹小空間，或是重量 要小，以便于手持式設備延長(cháng)產(chǎn)品的工作時(shí)間。這  就是現在大部份嵌入式視覺(jué)系統使用只有1MP到5MP的低分辨率小靶面傳感器的原因。

減小像素芯片的尺寸只是減小圖像傳感器封裝尺寸和重量的第一步?，F在的65 nm工藝讓我們能夠把全局快門(mén)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(mén)CMOS 圖像傳感器能夠配合移動(dòng)端市場(chǎng)要求小于1/3英寸的規格。

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。晶圓級封裝在過(guò)去數年在市場(chǎng)迅速成長(cháng)，在移動(dòng)設備、汽車(chē)和醫療應用中特 別明顯。相較用工業(yè)市場(chǎng)常用的傳統陶瓷 (CLGA) 封裝，晶圓級扇出封裝和芯片級封裝能夠實(shí)現更高密度連接，因而是嵌入式系統 圖像傳感器輕量化小型化的出色解決方案。就Teledyne e2v 的200萬(wàn)像素傳感器而言，晶圓級封裝與較小的像素尺寸相結合，僅在五年內就能縮小至四分之一。

圖4：自2016年以來(lái)，隨著(zhù)封裝技術(shù)改進(jìn)和像素尺寸縮小，圖像傳 感器尺寸的典型演變

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

三維堆棧是讓半導體器件生產(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(guò)硅穿孔(Through  Silicon Vias，簡(jiǎn)稱(chēng)TSV)技術(shù)進(jìn)行堆棧和互聯(lián)。三維堆棧因為是多 層重迭芯片，允許器件實(shí)現比傳統傳感器更小的封裝尺寸。在三維  堆疊圖像傳感器中，讀出和處理模塊可以移動(dòng)到像素陣列和行解碼器 的下方。這樣，傳感器的占位尺寸因縮小的讀出和處理模塊而減小，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。

圖5：三維芯片堆疊技術(shù)能夠使像素陣列、仿真和數字電路重疊， 甚至增加額外的特定應用處理層，同時(shí)減小傳感器面積

不過(guò)，要讓三維堆棧技術(shù)在圖像傳感器市場(chǎng)獲得廣泛應用，現在還 面對著(zhù)一些挑戰。首先這是一個(gè)新興的技術(shù)，其次是它的成本較高，因為需要附加的工藝步驟，使得芯片成本比使用傳統技術(shù)的芯 片高三倍以上。因此三維堆疊將主要是高性能或非常小封裝尺寸的 嵌入式視覺(jué)系統的選擇。

總結而言，嵌入式視覺(jué)系統可以歸納為一種“輕量”視覺(jué)技術(shù)，可以用于包括OEM、系統集成商和標準相機廠(chǎng)商等不同類(lèi)型企業(yè)?！扒度胧?“是一個(gè)可用于不同應用的概括性描述，因而不能開(kāi) 出列表說(shuō)明它的特征。不過(guò)優(yōu)化嵌入式視覺(jué)系統有幾個(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)系統的總體性能。

合適的圖像傳感器能為嵌入式設計人員帶來(lái)更多靈活性，不僅節省材料清單成本，還可減小照明和光學(xué)組件的占位面積。但比圖像傳感器更重要的是，成像模塊形式的拿到即可快速應用的板級解決方案的出現，為進(jìn)一步優(yōu)化尺寸、重量、功耗和成本鋪平了道路，并通過(guò)來(lái)自消費市場(chǎng)的成本可接受的經(jīng)過(guò)深度學(xué)習優(yōu)化的圖像信號處理器，大幅降低開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，而不增加額外的復雜性。