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作者： Teledyne e2v 公司 Marie-Charlotte Leclerc 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，再到家庭中的護理點(diǎn)手持醫療設備。出現這些新應用程序的一個(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，其中包括一個(gè)視覺(jué)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，最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)或英 特爾(Intel) Movidius Myriad 2 等圖像信號處理器。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)。 1. 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。 1.1. 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 2.8μm，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，以補償來(lái)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(jué)系統的成本。MIPI CSI-2 接口是實(shí)現節約成本的最合適 選擇（它最初是由 MIPI 聯(lián)盟為移動(dòng)行業(yè)開(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、高通公司或 Intel 等公司的低成本的片上系統（SOC）或模塊上 系統（SOM）的集成。設計一種具有 MIPI CSI-2 傳感器接口的 CMOS 圖像傳感器，無(wú)需任何中間轉換器 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，因為 MIPI 接口的連接距離限制為 20 cm，這在傳感器距離主機處理器較遠 的遠程設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(cháng)接口的相機板解決方 案是比較好的選擇。一些現成的解決方案可以集成，例如工業(yè)相機制造商（如 Flir、AVT、Basler 等）的 相機板通�？稍� MIPI 或 USB3 接口中使用，后者能夠達到的范圍可以超過(guò) 3 米至 5 米。 1.3. 減小開(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 )在一次性開(kāi)發(fā)費上花費數百萬(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，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構的組件系列以具有穩定的光電性能，通過(guò)具有共用光學(xué)中心來(lái)共享單個(gè)前端機制， 以及通過(guò)兼容的 PCB 組件來(lái)簡(jiǎn)化評估，集成和供應鏈，從而減小開(kāi)發(fā)費用。 為簡(jiǎn)化相機板設計（即使用于多款傳感器），有兩種方法設計傳感器封裝。針腳對針腳兼容是相機板設計 人員的首選設計，因為它能使多種傳感器共享同一電路和控制，使得組裝完全不受 PCB 設計影響。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(zhù)他們可能要應付 每一款傳感器的接口和布線(xiàn)的差異狀況。 
圖 1: 圖像傳感器可經(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 2. 能效提供更佳單獨工作能力 微型電池驅動(dòng)的設備是最明顯的受益于嵌入式視覺(jué)的應用程序，因為外部計算機阻止任何便攜式應用程序 的發(fā)生。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)系統功耗而不損采集幀率。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，在系統級最小化傳感器本身的動(dòng)態(tài)操作。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，并讓傳感器在數微秒內重新啟動(dòng)獲取 圖像。 而在傳感器設計集成節能的另一個(gè)方法是采用先進(jìn)光刻節點(diǎn)技術(shù)。技術(shù)節點(diǎn)越小，轉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)節點(diǎn)，使得嵌入式視覺(jué)應用更省能。 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(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，工程人員便可決定減小 電流密度強度，或是減小集成進(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。使用傳統卷簾快門(mén)傳感器，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。所以如使用像素內相關(guān)雙采 樣(CDS)應用下，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。 3. 片上功能為應用程序設計的視覺(jué)系統鋪平了道路 嵌入式視覺(jué)的一些偏鋒延展概念，引導我們對圖像傳感器進(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） 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，以減省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。
圖二： 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。 4. 減小重量尺寸以配合最小應用空間 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，以便用于手持式設備/或延長(cháng)電池推 動(dòng)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在的 65nm 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 能夠配合手機市場(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。芯片級封裝在過(guò)去數年在市場(chǎng)迅速成長(cháng)， 在移動(dòng)、車(chē)載電子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 (Ceramic Land Grid Array， 簡(jiǎn)稱(chēng) CLGA) 封裝，芯片級扇出封裝能夠實(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 挑戰的出色解決方案。例如 Teledyne e2v 的 Emerald 2M 圖像傳感器芯片級封裝，側高只是陶瓷封裝的 一半，而尺寸則減小 30%。
圖 3 ：同一芯片采用 CLGA 封裝 ( 圖左 ) 和晶圓級扇出有機封裝 ( 圖右 ) 的比較。后者能夠減少占位、厚 度和成本。 . 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)硅沖孔(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處理器的載荷。
圖 4 ：三維芯片堆棧技術(shù)有助于實(shí)現像素芯片、仿真和數字電路，甚至是用于專(zhuān)門(mén)應用的附加處理芯片組合重迭，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。 因為三維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，節省材料清單成本，減小照明和光學(xué)組件的占位面積。它也讓設計人員在無(wú)需面對更多復雜性的情 況下，選擇來(lái)自消費市場(chǎng)的大量經(jīng)濟適用并具有優(yōu)化深度學(xué)習功能的圖像信號處理器。 |
