多圖詳解安森美領(lǐng)先的成像技術(shù)，助您推進(jìn)視覺產(chǎn)品創(chuàng)新

本文作者：安森美智能感知事業(yè)群工業(yè)感知部應(yīng)用工程高級經(jīng)理Open.Kai

在當(dāng)今數(shù)字化時代，視覺產(chǎn)品的需求與日俱增，在自主移動機(jī)器人 (AMR)、倉庫機(jī)器人、無人機(jī)、農(nóng)業(yè)、工廠檢查和安防/監(jiān)控等應(yīng)用場景，會實施基于機(jī)器視覺的人工智能 (AI) 與先進(jìn)技術(shù)來執(zhí)行關(guān)鍵功能。要想提高現(xiàn)有的目標(biāo)檢測和識別能力，需要解決在不利光照條件下，對運(yùn)動中的對象和更遠(yuǎn)距離的精細(xì)細(xì)節(jié)捕獲圖像的難題。而安森美(onsemi)先進(jìn)的CMOS圖像傳感器技術(shù)正是推動這一領(lǐng)域不斷創(chuàng)新的關(guān)鍵，這些技術(shù)不僅能夠提高圖像傳感器的靈敏度和分辨率，還能夠通過更加智能的傳感器片上多幀合成以及壓縮技術(shù)來獲得低系統(tǒng)帶寬需求的高動態(tài)范圍影像，還實現(xiàn)了HDR運(yùn)動補(bǔ)償、LED閃爍抑制、運(yùn)動喚醒等功能。在這樣一個競爭激烈的市場中，利用領(lǐng)先的CMOS圖像傳感器技術(shù)的企業(yè)將能夠更好地滿足市場需求，提高產(chǎn)品的競爭力和市場份額。因此，深入了解和應(yīng)用這一技術(shù)已經(jīng)成為了企業(yè)推進(jìn)視覺產(chǎn)品創(chuàng)新的必要手段。

安森美最新推出的AR0822是一顆集eHDR、運(yùn)動補(bǔ)償(Motion Compensation)、運(yùn)動喚醒(Wake on Motion)幾大硬核功能于一體的八百萬像素的4K圖像傳感器芯片。下面讓我們來了解一下這些專業(yè)名詞吧：

1什么是HDR?HDR = High Dynamic Range，高動態(tài)范圍，也有叫WDR（Wide Dynamic Range）的，其實是不同廠家不同的叫法，實際上都是一樣的。

動態(tài)范圍計算公式：

Smax:最大可測量到的信號，即像素飽和信號值,也就是像素的滿井電荷；

Smin:最小可偵測到的信號，即SNR=1時的信號值，也就是全黑場景下的讀出噪聲；也就是

多次曝光是如何來提升動態(tài)范圍的呢？

T1=Long exposure time，T2=Short exposure time.

2為什么需要HDR?

• 自然界的光線強(qiáng)度從0.0001cd/m²弱星光到超過100Kcd/m²的夏季太陽直射光，整個亮度的動態(tài)范圍約180dB。人眼能分辨出來的最大動態(tài)范圍約120dB。
• 當(dāng)今相機(jī)的應(yīng)用場景存在不少動態(tài)范圍的挑戰(zhàn)：

• 怎么樣才能更好的處理高亮度場景呢？

這三個維度基本上就代表了目前主流的HDR技術(shù)方向。

• 我們來看看目前主流的幾種實現(xiàn)HDR的技術(shù)：

• 多次曝光

• 大小像素

• 超級曝光

多次曝光

多次曝光技術(shù)，通過長曝光來捕捉低亮度處的細(xì)節(jié)，通過中、短曝光來捕捉中高亮度處的圖像。在常規(guī)像素設(shè)計的情況下，通過多次曝光技術(shù)就可以達(dá)到120dB（3次曝光）甚至140dB（4次曝光）的動態(tài)范圍。然而一般的多次曝光技術(shù)存在不足：對于運(yùn)動的物體會有運(yùn)動偽色影，特別是對于LED光源，有時它能被短曝光時間捕捉到，有時候則不能，那就導(dǎo)致了LED閃爍不清的問題。典型的脈沖光源是LED交通燈、交通標(biāo)志和汽車尾燈。

大小像素

這類設(shè)計的芯片上同時存在大像素和小像素，大像素來捕捉低光信息，小像素來捕捉高光信息。由于大小像素是同時曝光的，這種設(shè)計避免了運(yùn)動偽影問題。然而這種技術(shù)存在大像素QE損失，以及由于大小像素QE不同、串?dāng)_等影響產(chǎn)生的色彩問題，需要使用者花費大量的資源和成本來進(jìn)行校正，給用戶帶來了很大的挑戰(zhàn)。大小像素技術(shù)是利用大像素和小像素感應(yīng)光線的比例來實現(xiàn)HDR，目前半導(dǎo)體制作技術(shù)能力不允許任意的擴(kuò)大或者縮小像素物理尺寸，所以大小像素技術(shù)能達(dá)到動態(tài)范圍也是有限的。

在現(xiàn)在成本以及小型化壓力下，要將同樣分辨率的芯片做小，就需要使用更小的像素，大小像素方案比單像素方案更難去縮小像素尺寸。注:大小像素技術(shù)是安森美的專利，在2009年由美光公司獲得。

超級曝光，即我們在Hyperlux系列采用的技術(shù)

通過增加額外的電路，當(dāng)像素電容飽和時候，溢出的電荷繼續(xù)轉(zhuǎn)移到外掛的電容存儲中去，從而實現(xiàn)了超大的滿井電荷，動態(tài)范圍能達(dá)到單次曝光110dB，多次曝光能達(dá)到150dB。這種方式在110dB下沒有LED 閃爍問題和運(yùn)動偽影問題，同時還有非常好的低光照性能。

看了這么多的HDR技術(shù)，那么安森美AR0822是怎么樣的技術(shù)呢？為什么說它是eHDR呢？通常多次曝光的sensor會發(fā)送每一次曝光的數(shù)據(jù)給到后端處理器來進(jìn)行合成，而3次曝光就需要發(fā)送3幀數(shù)據(jù)。當(dāng)今應(yīng)用對圖像傳感器的分辨率要求越來越高，4K 800萬能提供更多的細(xì)節(jié)，可是，3張800萬像素的圖片的數(shù)據(jù)量多大呢？如果是多相機(jī)的應(yīng)用方案呢？處理器能提供多大的帶寬呢？

如果采用傳統(tǒng)的HDR 數(shù)據(jù)傳輸方式，4K 3次曝光需要超過10Gbps，這對SERDES以及線纜的挑戰(zhàn)十分巨大。

AR0822 是eHDR(embedded High Dynamic Range)，多次曝光合成是在sensor內(nèi)部進(jìn)行完成的，通過內(nèi)部智能擬合以及壓縮功能，可以將3次曝光的20bit數(shù)據(jù)壓縮成12bit數(shù)據(jù)，然后再傳輸給后端平臺，極大的降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶寬。

AR0822 支持多種多次曝光合成線性化擬合功能，DLO(Digital Lateral Overflow)以及SCMAX(Smooth Combination Max)，我們稱其智能擬合，這種模式降低了多次曝光合成時的亮度臨界區(qū)域的噪聲。還記得我們前面說的多次曝光HDR的一個不足嗎？對，就是運(yùn)動偽影以及LED 閃爍，AR0822 片上HDR合成還加入了運(yùn)動補(bǔ)償（Motion compensation）功能來減輕這些問題：

運(yùn)動補(bǔ)償包含運(yùn)動捕捉和運(yùn)動糾正兩個模塊，運(yùn)動捕捉模塊來捕捉T1和T2之間的運(yùn)動值（對每一個pixel進(jìn)行motion mask的計算）,運(yùn)動糾正模塊使用motion mask來對T1數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。

例圖：上路實拍，可以看出AR0822出色的HDR效果，以及極好的低亮度性能。注：圖片截取自視頻流。

更值得一提的是，AR0822除了eHDR外，還具備WOM(Wake on Motion)功能：AR0822可以運(yùn)行在極低的幀率下，當(dāng)檢測到畫面ROI區(qū)域中有運(yùn)動發(fā)生，則去喚醒SOC，恢復(fù)sensor運(yùn)行到正常模式。

而其杰出的motion detect ROI 則進(jìn)一步降低功耗：我們對畫面進(jìn)行運(yùn)動捕捉block 分區(qū)，只關(guān)注開啟區(qū)域的運(yùn)動檢測，像典型的可視門鈴，上圖中場景內(nèi)存在樹木花草，一旦有什么“風(fēng)吹草動”或者小動物經(jīng)過，很可能系統(tǒng)就開啟誤報，而可編程的運(yùn)動捕捉區(qū)域，可以很好的降低這種誤報。配合PIR，通過sensor自帶的運(yùn)動捕捉和超級低功耗模式，可以讓整機(jī)系統(tǒng)電池使用時間延長50倍。

先進(jìn)的CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，將不斷推動視覺產(chǎn)品的創(chuàng)新和進(jìn)步。無論是在工業(yè)自動化、汽車安全、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，這一技術(shù)都將扮演著越來越重要的角色。安森美的AR0822傳感器集eHDR、運(yùn)動補(bǔ)償、運(yùn)動喚醒幾大硬核功能于一體，解決工程師在設(shè)計視覺系統(tǒng)時所面臨的動態(tài)范圍、運(yùn)動偽影、LED閃爍、功耗等復(fù)雜挑戰(zhàn)，實現(xiàn)更多創(chuàng)新。

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