新興的視覺(jué)物聯(lián)網(wǎng)方案滿足不同的應(yīng)用需求

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將涉及大量的邊緣設(shè)備，需要由FOG節(jié)點(diǎn)將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，進(jìn)而發(fā)送到云/數(shù)據(jù)中心，然后從云/數(shù)據(jù)中心再發(fā)送最終的指令經(jīng)由FOG到邊緣設(shè)備。未來(lái)邊緣設(shè)備的激增及添加人工智能(AI)進(jìn)行分析處理的特征，要求盡可能降低功耗和更智能。邊緣設(shè)備包括智能家居，其中有大量的新興應(yīng)用如安防、家電、助手和手勢(shì)識(shí)別等涉及視覺(jué)IoT，直觀/易用的成像子系統(tǒng)至關(guān)重要。

圖像傳感器領(lǐng)袖安森美半導(dǎo)體在視覺(jué)IoT領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括廣博的圖像傳感器陣容、領(lǐng)先行業(yè)并不斷改進(jìn)的成像技術(shù)、豐富的應(yīng)用專知和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)支援等，滿足不同的成像應(yīng)用需求，推進(jìn)更智能、更低功耗、新興的視覺(jué)IoT應(yīng)用的關(guān)鍵進(jìn)展。

成像和機(jī)器視覺(jué)要求

視覺(jué)IoT涵蓋人看到的成像和通過(guò)算法處理的機(jī)器視覺(jué)。例如，安防攝像機(jī)呈現(xiàn)出人類看到的成像，視覺(jué)助手屬于機(jī)器視覺(jué)，可視門(mén)鈴則在用戶在家時(shí)直接提供成像，在用戶外出時(shí)進(jìn)行視頻錄制和比對(duì)，由于比對(duì)是通過(guò)算法進(jìn)行處理，所以這時(shí)就屬于機(jī)器視覺(jué)了。

對(duì)于傳統(tǒng)的成像，特定需求是高的圖像保真度。而對(duì)于機(jī)器視覺(jué)，性噪比和采樣是重要的因素，要求能準(zhǔn)確地捕獲移動(dòng)物體。

同時(shí)，成像和機(jī)器視覺(jué)對(duì)圖像傳感器也有一些共同要求：如在不同的光照條件下，有強(qiáng)的環(huán)境光和微光同時(shí)存在時(shí)，需要好的像素性能實(shí)現(xiàn)出色的用戶體驗(yàn);通常要求視場(chǎng)寬， 有時(shí)需進(jìn)行魚(yú)眼校正;具性價(jià)比。

安防是未來(lái)視覺(jué)IoT最大的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域

對(duì)于IP攝像機(jī)、外部攝像頭、可視門(mén)鈴等安防應(yīng)用，圖像品質(zhì)、高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)、微光性能和近紅外(NIR)是關(guān)鍵的性能因素。差異化因素包括低功耗和在日光/星光下的成像。

AR0237用于入門(mén)級(jí)安防應(yīng)用

安森美半導(dǎo)體的AR0237是適合這類應(yīng)用的最具性價(jià)比的一款圖像傳感器，具有210萬(wàn)像素，分辨率1928 x 1088，能實(shí)現(xiàn)1080p/60 fps輸出，提供出色的微光性能和HDR，支持高動(dòng)態(tài)范圍的長(zhǎng)短交錯(cuò)曝光，在捕獲到長(zhǎng)曝光和短曝光的兩個(gè)圖像后，通過(guò)圖像信號(hào)處理器(ISP)合成后，選擇兩個(gè)圖像中最佳的曝光像素并最終合成為1張令您滿意的圖像。

AR0237有RGB和RGB-IR兩種版本，其中RGB-IR版本增強(qiáng)的NIR靈敏度增強(qiáng)夜視能力，使得攝像頭無(wú)需特別的濾色片進(jìn)行日/夜的切換，同時(shí)使用紅外差譜技術(shù)以避免顏色的失真。

超星光級(jí)AR0221：領(lǐng)先的微光靈敏度和信噪比

200萬(wàn)像素的AR0221采用4.2 um背照式(BSI)像素技術(shù)，提供出色的3重曝光行交錯(cuò)式HDR，分辨率1936 x 1096，支持1080p/30 fps的幀速率，信噪比最高達(dá)41.2 dB，其16:9的比例，具有鮮艷的色彩和高對(duì)比度。其它特性包括：陣列框選、自動(dòng)黑電平校準(zhǔn)和板載溫度傳感器、工業(yè)級(jí)工作溫度范圍、以4通道MIPI CSI-2和HiSPi SLVS的形式提供雙數(shù)據(jù)接口，采用耐用、可靠且強(qiáng)固的iBGA封裝。

圖1很好地詮釋了AR0221為何可稱為超星光級(jí)的產(chǎn)品：兩張圖片都攝于無(wú)月光、無(wú)星光的夜晚，光照都小于0.01 lux，場(chǎng)景相同且都用相同的鏡頭，采用AR0221拍攝的圖像明顯比AR0237拍攝的圖像更清晰，且AR0221僅使用了26倍增益，而AR0237使用了67倍增益。

圖1：AR0221與 AR0237成像對(duì)比

AR0430：具備同步深度映射功能、低功耗

AR0430曾獲2018 CES嵌入式技術(shù)類創(chuàng)新獎(jiǎng)，分辨率2316 x 1746，線性滿井電荷容量超過(guò)15Ke-，從而提供HDR，采用Super Depth 技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步視頻和深度映射，能夠提供距攝像機(jī)一米以內(nèi)任何物體的30 fps視頻流和深度圖像，實(shí)現(xiàn)以手勢(shì)分析來(lái)控制智能IoT設(shè)備以及建立增強(qiáng)實(shí)境(AR)/虛擬實(shí)境(VR)中簡(jiǎn)單3D模型等功能。

AR0430的低能耗性能使其僅需125 mW就能提供400萬(wàn)像素、30 fps輸出;在低功耗監(jiān)測(cè)模式下，功耗降至8 mW。這在電池供電應(yīng)用中尤為重要。

在標(biāo)準(zhǔn)成像模式下，無(wú)論是日間還是夜間的光線條件，AR0430都能呈現(xiàn)高品質(zhì)的圖像。該器件的內(nèi)置功能使用戶能夠從單一圖像傳感器同時(shí)獲取彩色圖像和深度圖像，省下原本需要另外一個(gè)單獨(dú)提供深度映射功能的傳感器，從而降低成本。主要應(yīng)用場(chǎng)景如1080p 120fps慢動(dòng)作視頻、1080p變焦、錄像和HDR成像。

AR0431：集成近紅外+(NIR+)能力、低功耗

AR0431是在AR0430的基礎(chǔ)上增加了增強(qiáng)的NIR+靈敏度技術(shù)。如圖2所示，創(chuàng)新的工藝使850 nm和940 nm光的靈敏度加倍，而不影響可見(jiàn)光靈敏度，從而幫助安防和物聯(lián)網(wǎng)攝像機(jī)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建高靈敏度的夜間模式。增強(qiáng)的NIR+使AR0431即使在最暗的光照條件下也能實(shí)現(xiàn)更好的成像。與AR0430相比，AR0431用更少的NIR LED，可節(jié)省成本和功耗，或以較低的速度運(yùn)行LED而省電。若與AR0430用相同的LED，可獲得更好的細(xì)節(jié)，捕獲更多的光。

圖2：增強(qiáng)的NIR+提高靈敏度

AR0431基于2.0 um BSI像素，提供多種低功耗模式，幀速率最高120fps，非常適用于要求慢動(dòng)作視頻拍攝的應(yīng)用。其低功耗優(yōu)勢(shì)，令其成為電池供電型安防攝像頭、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、車內(nèi)行車記錄儀(DVR )和通用型監(jiān)控?cái)z像頭的理想選擇。

家電成像應(yīng)用：AR0330實(shí)現(xiàn)高速圖像捕獲

在家電領(lǐng)域，常見(jiàn)的成像應(yīng)用如冰箱、咖啡機(jī)和掃地機(jī)器人等，關(guān)鍵性能因素包括支持運(yùn)動(dòng)的能力和HDR。由于小型化的需求，需要盡可能采用緊湊的方案，以實(shí)現(xiàn)差異化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如安森美半導(dǎo)體的小尺寸全高清AR0330，光學(xué)格式僅1/3英寸，有助于實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)，分辨率2304 x 1296，具有卓越的色彩準(zhǔn)確度，微光靈敏度和低噪聲水平，可實(shí)現(xiàn)高速圖像捕獲，并包括可調(diào)配置(增益、幀速率和曝光)，同時(shí)保持低功耗。

此外，上文提到的用于安防領(lǐng)域的AR0237和AR0430同樣適用于家電成像應(yīng)用。

“助手”是視覺(jué)IoT中非常有前景的一類應(yīng)用

如視覺(jué)助手、語(yǔ)音音響、服務(wù)/護(hù)理機(jī)器人等都屬于“助手”類應(yīng)用，快速對(duì)焦、HDR是這類應(yīng)用的關(guān)鍵性能因素，深度能力/智能是實(shí)現(xiàn)差異化的關(guān)鍵。

AR1335：通過(guò)PDAF快速對(duì)焦

AR1335采用相位檢測(cè)對(duì)焦(PDAF)技術(shù)，在用于視覺(jué)助手類應(yīng)用時(shí)能快速幫助把報(bào)紙、雜志、說(shuō)明書(shū)上的圖片聚焦然后轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音使用戶聽(tīng)到。AR1335支持4K、30 fps輸出，基于1.1 um BSI像素，在1300萬(wàn)像素、30 fps模式下的功耗為270 mW，其它特性包括：高靈敏度實(shí)現(xiàn)極佳的微光性能、高滿井電荷容量(LFW)實(shí)現(xiàn)HDR、3D同步控制支持立體視頻捕獲等。除了視覺(jué)助手，AR1335還可用于4K錄像、身體攝像機(jī)、無(wú)人機(jī)、運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)等應(yīng)用。

機(jī)器人應(yīng)用

圖像傳感器用于如娛樂(lè)、掃地機(jī)器人、陪伴型機(jī)器人等應(yīng)用的關(guān)鍵性能因素是視覺(jué)定位，即對(duì)移動(dòng)物體的成像，以及HDR。

全局快門(mén)AR0144解決拖影問(wèn)題

眾所周知，采用卷簾快門(mén)對(duì)移動(dòng)的物體曝光，圖像會(huì)產(chǎn)生拖影。全局快門(mén)可解決拖影問(wèn)題。安森美半導(dǎo)體在全局快門(mén)傳感器市場(chǎng)處于領(lǐng)先的市場(chǎng)地位。

AR0144是安森美半導(dǎo)體的一款可謂是明星級(jí)的全局快門(mén)圖像傳感器，已大量用于掃描、無(wú)人機(jī)、AR/VR、機(jī)器視覺(jué)、360度攝像頭、深度攝像機(jī)等市場(chǎng)，采用3.0 um像素，提供領(lǐng)先的全局快門(mén)能效，在輸出100萬(wàn)像素、60 fps時(shí)的功耗低于250 mW，能在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景應(yīng)用中捕捉準(zhǔn)確和快速的影像，尺寸極緊湊。

如圖3所示，采用卷簾快門(mén)的AR0141所捕獲到的轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇內(nèi)的名片圖像已明顯變形，而采用全局快門(mén)的AR0144所捕獲的圖像沒(méi)有任何偽影。

圖3：AR0141對(duì)比AR0144

與同樣采用全局快門(mén)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，AR0144的全局快門(mén)能效(GSE)比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手好5倍，滿井電荷容量(LFW)好2倍。

圖4：AR0144提供同類最佳的LFW和GSE

在無(wú)人機(jī)等動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，AR0144的低功耗特性能夠延長(zhǎng)充電時(shí)間間隔，其成像性能能更好地映射環(huán)境，避免嚴(yán)重碰撞。在3D攝像機(jī)和AR/VR設(shè)計(jì)中，AR0144可提供一種具性價(jià)比及小尺寸的方案，用于捕獲雙重圖像進(jìn)行3D成圖或深度感知。

此外，安森美半導(dǎo)體還提供AR0134和AR0135兩款全局快門(mén)傳感器，采用iBGA封裝，用于對(duì)可靠性要求更嚴(yán)格的應(yīng)用。三款全局快門(mén)傳感器的關(guān)鍵規(guī)格如下表所示。

表1：安森美半導(dǎo)體的全局快門(mén)傳感器

結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備未來(lái)會(huì)趨于更智能和盡可能降低功耗。其涵蓋的智能家居市場(chǎng)中大量的新興應(yīng)用將產(chǎn)生對(duì)成像子系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括不受控制的光照環(huán)境和要求盡可能最低的功耗。通過(guò)把傳感器與系統(tǒng)單芯片(SoC)、鏡頭、模塊和算法結(jié)合在一起形成強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)以易于開(kāi)發(fā)將至關(guān)重要。安森美半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)不僅在于擁有領(lǐng)先的圖像傳感器技術(shù)解決光照條件、功耗等多方面的挑戰(zhàn)，提供差異化方案和推進(jìn)未來(lái)的趨勢(shì)，并具備廣博的陣容滿足不同的需求，還提供開(kāi)發(fā)套件并結(jié)合行業(yè)伙伴的方案，幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低成本。