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图象传感器推动嵌入式视觉手艺生长

宣布时间:2019年05月10日 16:05    宣布者:eechina
要害词: 成像 , 图象传感器 , 嵌入式视觉
作者: Teledyne e2v 公司 Marie-Charlotte Leclerc

新的成像应用正在蓬勃生长,从工业 4.0 中的协作机械人,到无人机消防或用于农业,再到生物特点脸部 识别,再抵家庭中的照顾护士点手持医疗装备。泛起这些新应用法式模范模范的一个要害因素是,嵌入式视觉比以往任 甚么时间辰都更普及。嵌入式视觉不是一个新看法;它只是界说了一个系统,其中网罗一个视觉设置,在没有 外部盘算机的情形下控制和处置赏罚赏罚数据。它已普遍应用于工业质量控制,最为人熟悉的例子好比“智能相机”。

近年源于破费类市场经济适用硬件器件的开发,相较于以往应用电脑的妄图,这些器件年夜幅度减小了质料 清单(BOM)资源和产物体积。举个例子,小型系统集成商或 OEM 现在能够小批量推销诸如 NVIDIA Jetson 的单板机或模块系统;而较年夜型的 OEM 则可以直接取得如高通骁龙(Qualcomm Snapdragon)或英 特尔(Intel) Movidius Myriad 2 等图象旌旗暗记处置赏罚赏罚器。在软件级方面,市情软件库能够加速公用视觉系统的开 发速率,减小装备难度,即就是针对小批量临盆。

第二个推动嵌入式视觉系统生长的变换是机械学习的泛起,它使实验室中的神经群集能够吸收培训,然后 直接上传随处置赏罚赏罚器中,以便它能够自动识别特点,并实时做出决议。

能够供应适用于嵌入式视觉系统的处置赏罚赏罚妄图,关于面向这些高增添应用的成像企业来讲相当主要。图象传 感器由于能够直接影响嵌入式视觉系统的效能和设计,是以在年夜规模引进中有主要角色,而它的主要推动 因素可归纳综合为:更小尺寸、重量、功耗和资源,英语简称为“SWaP-C”(decreasing Size, Weight, Power and Cost)。

1. 降低资内幕当主要 嵌入式视觉新应用的加速推动器是知足市场需求的价钱,而视觉系统资源正是完成这请求的一个主要制肘。   

1.1. 节俭光学资源

减厌弃觉模块资源的第一个蹊径是镌汰产物尺寸, 启事有两个:首先是图象传感器的像素尺寸愈小,晶圆 便可以制造更多的芯片;此外一方面传感器可以应用更小更低资源的光学组件,二者都能够降低固有资源。 例如 Teledyne e2v 的 Emerald 5M 传感器把像素尺寸减小至 2.8μm,让 S 口(M12) 镜头能够用于五百万 像素全局快门传感器上,带来直接的资源节俭──入门级的 M12 镜头的价钱约为 10 美元,而较年夜尺寸的 C 口或 F 口镜头资源是其 10 到 20 倍。以是减小尺寸是降低嵌入式视觉系统资源的有用措施。  

关于图象传感器制造商来讲,这类降低的光学资源对设计有此外一个影响,由于浅易来讲,光学资源越低, 传感器的入射角越不睬想。是以,低资源光学须要在像素上方设计特定的位移微透镜,以赔偿来自广角的 畸变和聚焦光。

1.2. 传感器低资源接口

除光学优化,传感器接口的选择也直接影响视觉系统的资源。MIPI CSI-2 接口是完成节约资源的最合适 选择(它最后是由 MIPI 同盟为移动行业开发的)。它已被年夜多数 ISP 普遍接纳,并已泉源在工业市场采 用,由于它供应了一个从 NXP、Nvidia、高通公司或 Intel 等公司的低资源的片上系统(SOC)或模块上 系统(SOM)的集成。设计一种具有 MIPI CSI-2 传感器接口的 CMOS 图象传感器,无需任何中央转换器 桥,直接将图象传感器的数据传输到嵌入式系统的主机 SOC 或 SOM,从而节俭了资源和 PCB 空间,当 然,在基于多传感器的嵌入式系统(如 360 度全景系统)中,这一优势越发凹陷。

不外这些利益遭到一些限制,由于 MIPI 接口的毗连距离限制为 20 cm,这在传感器距离主机处置赏罚赏罚器较远 的远程设置中能够不是最好的。在这些装备中,以殉国小型化为价值,应用集成更长接口的相机板处置赏罚赏罚方 案是较量好的选择。一些现成的处置赏罚赏罚妄图可以集成,例如工业相机制造商(如 Flir、AVT、Basler 等)的 相机板通常可在 MIPI 或 USB3 接口中应用,后者能够到达的规模可以逾越 3 米至 5 米。

1.3.  减小开发资源  

在投资新产物时,赓续上升的开发资源经常是一个寻衅;它能够会在一次性开发费上破费数百万美元,并 给上市时间带来压力。关于嵌入式视觉,这类压力变得更年夜,由于模块化(即产物能否切换应用多种图象 传感器)是集成商的主要推敲。幸运的是,经由历程在传感器之间供应一定水平的交织兼容性,例如,经由历程定 义共享类似像素系统结构的组件系列以具有稳固的光电性能,经由历程具有共用光学中央来共享单个前端机制, 和经由历程兼容的 PCB 组件来简化评价,集成和供应链,从而减小开发用度。

为简化相机板设计(即应用于多款传感器),有两种措施设计传感器封装。针脚对针脚兼容是相机板设计 职员的首选设计,由于它能使多种传感器共享统一电路和控制,使得组装完全不受 PCB 设计影响。此外一 个选择是接纳尺寸兼容的传感器,这样统一 PCB 可以应用多款传感器,然则这也意味着他们能够要搪塞 每款传感器的接口和布线的差异状态。  

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图 1: 图象传感器可经设计供应针脚兼容 ( 图左 ) 或尺寸兼容 ( 图右 ) 以完成专有 PCB结构设计

2. 能效供应更佳伶仃使命才干 微型电池驱动的装备是最显着的受益于嵌入式视觉的应用法式模范模范,由于外部盘算机阻挡任何便携式应用法式模范模范 的发生。为了降低系统的能耗,图象传感器现在网罗了多种功效,使系统设计者能够节俭电力。

从传感器角度出发,有多种措施减小嵌入式视觉系统功耗而不损搜集帧率。最质朴的措施是经由历程尽能够长 时间应用待机或闲置形式,在系统级最小化传感器自己的静态操作。待机形式经由历程关闭仿真电路,把传感 器的功耗降攀援职务形式的 10%以下。而闲置形式则可把功耗减半,并让传感器在数微秒内重新启动取得 图象。  

而在传感器设计集成节能的此外一个措施是接纳先进光刻节点手艺。手艺节点越小,转换晶体管所需的电压 便越小,由于功耗与电压成正比(&#119875;&#119889;&#119910;&#119899;&#119886;&#119898;&#119894;&#119888; ∝ &#119862; ×&#119881;2),这样便可以降低功耗。以是 10 年前应用 180nm 手艺 临盆的像素不光把晶体管镌汰到 110nm,同时也把数字电路的电压从 1.9 伏降到 1.2 伏。下一世代的传感 器将应用 65nm 手艺节点,使得嵌入式视觉应用更省能。  

最后一点是,经由历程选择合适的图象传感器,可以在某些条件下降低 LED 灯的能耗。有一些系统必须应用 自动照明,例如三维舆图天生、行动停留、或是纯粹应用序次脉冲指定波长来前进反差。在这些情形下, 减低图象传感器在低亮度情形下的噪声便能完成更低的功耗。减小了传感器噪声,工程职员便可决议减小 电流密度强度,或是减小集成进嵌入式视觉系统的 LED 灯数目。在其他情形下,当图象捕捉和 LED 闪灼 由外部事宜触发时,选择适当的传感器读出结构可以显着节俭电能。应用传统卷帘快门传感器,帧全暴光 时 LED 灯必须全开,而全局快门传感器则允许只在帧的某部门开动 LED 灯。以是如应用像素内相关双采 样(CDS)应用下,以全局快门传感器替换卷帘快门传感器便可以节俭照明资源,同时仍保持与显微镜中使 用的 CCD 传感器一样低的噪声。

3. 片上功效为应用法式模范模范设计的视觉系统铺平了蹊径

嵌入式视觉的一些偏锋延展看法,指导我们对图象传感器阻拦周全定制,以 3D 堆叠要领集成一切处置赏罚赏罚功 能(芯片上的系统) 以完成优化性能和功耗。不外,开发这一类产物的资源很是昂扬,能够到达这一集成 水平的全定制传感器久远来讲着实不是完全弗成能,而现在我们正处于一个过渡阶段,网罗将某些功效直接嵌 入到传感器,以减省盘算负载和加速处置赏罚赏罚时间。

例如在条形码浏览应用, Teledyne e2v 公司已具有专利手艺,将网罗一个专有条形码识别算法的嵌入式 功效加进传感器芯片,这算法可以找出每帧幅内的条形码职位,让图象旌旗暗记处置赏罚赏罚器只需聚焦于这些规模, 前进数据处置赏罚赏罚效力。

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图二: Teledyne e2v Snappy 五百万像素芯片,自动识别条形码职位

此外一个增添处置赏罚赏罚负载和优化“优胜”数据的功效是 Teledyne E2V 的专利快速暴光形式,该形式使传感器能 够自动校订暴光时间,以防止照明条件变换时泛起饱和。这项功效优化了处置赏罚赏罚时间,由于它顺应了单帧中 光照的摇动,而且这类快速回声最年夜限制地增添了处置赏罚赏罚器须要处置赏罚赏罚的“坏”图象的数目。

这些功效通常是特定的,须要很好地明确客户的应用法式模范模范。只需对应用法式模范模范有足够的明确,便可以设计多 种其他片上功效来优化嵌入式视觉系统。

4. 减小重量尺寸以合营最小应用空间

嵌入式视觉系统的此外一主要请求是能够合营狭窄空间,或是重量要小,以便用于手持式装备/或延伸电池推 动产物的使命时间。这就是现在年夜部门嵌入式视觉系统应用只需 1MP 到 5MP 的低分辨率小型光学名堂传 感器的启事。  

减小像素芯片的尺寸只是减小图象传感器占位面积和重量的第一步。现在的 65nm 工艺让我们能够把全局 快门像素尺寸减小至 2.5μm 而不损光电性能。这类临盆工艺使得诸如全高清全局快门 CMOS 图象传感器 能够合营手机市场请求小于 1/3 英寸的规格。

减小传感看重量和占位面积的此外一主要手艺是镌汰封装尺寸。芯片级封装在之前数年在市场迅速生长, 在移动、车载电子和医疗应用中特殊显着。相较用工业市场经常应用的传统陶瓷 (Ceramic Land Grid Array, 简称 CLGA) 封装,芯片级扇出封装能够完成更高密度毗连,是以是嵌入式系统图象传感器轻量化小型化 寻衅的精彩处置赏罚赏罚妄图。例如 Teledyne e2v 的 Emerald 2M 图象传感器芯片级封装,侧高只是陶瓷封装的 一半,而尺寸则减小 30%。

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图 3 :统一芯片接纳 CLGA 封装 ( 图左 ) 和晶圆级扇出无机封装 ( 图右 ) 的较量。后者能够增添占位、厚 度和资源。 .

展望未来,我们预期新的手艺能进一步完成嵌入式视觉系统所需的更小传感器尺寸。  

三维客栈是让半导体器件临盆的创新手艺,它的原理是在不合晶圆上制造种种电路芯片,然后应用铜对铜 毗连和过硅冲孔(Through Silicon Vias,简称 TSV)手艺阻拦客栈和互联。三维客栈由因此多层重迭芯片, 允许器件完成比传统传感器更小的占位尺寸。而在三维客栈传感器中,读出和处置赏罚赏罚芯片可以置于像素芯片 和行译码器的下方。这样,传感器的占位尺寸因镌汰的读出和处置赏罚赏罚芯片而减小,而且可以在传感器中加入 更多处置赏罚赏罚资源以减小图象旌旗暗记处置赏罚赏罚器的载荷。

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图 4 :三维芯片客栈手艺有助于完成像素芯片、仿真和数字电路,以致是用于专门应用的附加处置赏罚赏罚芯片组合重迭,减小传感器面积。

不外,要让三维客栈手艺在图象传感器市场取得普遍应用,现在还面临着一些寻衅。首先这是一个新兴的 手艺,其次是它的资源较高,由于须要附加的工艺法式模范,使得芯片资源比应用传统手艺的芯片高三倍以上。 由于三维埋迭将主若是高性能或异常小占位尺寸的嵌入式视觉系统的选择。

总结而言,嵌入式视觉系统可以归结为一种「轻量」视觉手艺,可以用于网罗 OEM、系统集成商和尺度 相机厂商等不合类型企业。“嵌入式 “是一个可用于不合应用的归纳综合性形貌,是以不克不及开出列表诠释它的特 征。不外优化嵌入式视觉系统有几个适用轨则,就是浅易而言,市场推动力着实不是来自超级快的速率或超高 的迅速度,而是尺寸、重量、功耗和资源。图象传感器是这些条件的主要推手,以是须要当心选择合适的 图象传感器,以便于优化嵌入式视觉系统的全体性能。合适的图象传感器能为嵌入式设计职员带来更多灵 活性,节俭质料清单资源,减小照明和光学组件的占位面积。它也让设计职员在无需面临更多严重年夜性的情 况下,选择来自破费市场的年夜量经济适用并具有优化深度学习功效的图象旌旗暗记处置赏罚赏罚器。  
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