圖像傳感器推動(dòng)嵌入式視覺技術(shù)發(fā)展

作者： Teledyne e2v 公司 Marie-Charlotte Leclerc

新的成像應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展，從工業(yè) 4.0 中的協(xié)作機(jī)器人，到無人機(jī)消防或用于農(nóng)業(yè)，再到生物特征面部 識(shí)別，再到家庭中的護(hù)理點(diǎn)手持醫(yī)療設(shè)備。出現(xiàn)這些新應(yīng)用程序的一個(gè)關(guān)鍵因素是，嵌入式視覺比以往任 何時(shí)候都更普及。嵌入式視覺不是一個(gè)新概念；它只是定義了一個(gè)系統(tǒng)，其中包括一個(gè)視覺設(shè)置，在沒有 外部計(jì)算機(jī)的情況下控制和處理數(shù)據(jù)。它已廣泛應(yīng)用于工業(yè)質(zhì)量控制，最為人熟悉的例子比如“智能相機(jī)”。

近年源于消費(fèi)類市場經(jīng)濟(jì)適用硬件器件的開發(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(tǒng)集成商或 OEM 現(xiàn)在能夠小批量采購諸如 NVIDIA Jetson 的單板機(jī)或模塊系統(tǒng)；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(hào)處理器。在軟件級(jí)方面，市面軟件庫能夠加快專用視覺系統(tǒng)的開 發(fā)速度，減小配置難度，即便是針對(duì)小批量生產(chǎn)。

第二個(gè)推動(dòng)嵌入式視覺系統(tǒng)發(fā)展的變化是機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，它使實(shí)驗(yàn)室中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠接受培訓(xùn)，然后 直接上傳到處理器中，以便它能夠自動(dòng)識(shí)別特征，并實(shí)時(shí)做出決定。

能夠提供適用于嵌入式視覺系統(tǒng)的解決方案，對(duì)于面向這些高增長應(yīng)用的成像企業(yè)來說至關(guān)重要。圖像傳 感器由于能夠直接影響嵌入式視覺系統(tǒng)的效能和設(shè)計(jì)，因而在大規(guī)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，英語簡稱為“SWaP-C”（decreasing Size， Weight， Power and Cost）。

1. 降低成本至關(guān)重要

嵌入式視覺新應(yīng)用的加速推動(dòng)器是滿足市場需求的價(jià)格，而視覺系統(tǒng)成本正是實(shí)現(xiàn)這要求的一個(gè)主要制肘。

1.1. 節(jié)省光學(xué)成本

減小視覺模塊成本的第一個(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?zhèn)鞲衅骺梢允褂酶「统杀镜墓鈱W(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 像素全局快門傳感器上，帶來直接的成本節(jié)省──入門級(jí)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系統(tǒng)成本的有效方法。

對(duì)于圖像傳感器制造商來說，這種降低的光學(xué)成本對(duì)設(shè)計(jì)有另一個(gè)影響，因?yàn)橐话銇碚f，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(shè)計(jì)特定的位移微透鏡，以補(bǔ)償來自廣角的 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系統(tǒng)的成本。MIPI CSI-2 接口是實(shí)現(xiàn)節(jié)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)開發(fā)的）。它已被大多數(shù) ISP 廣泛采用，并已開始在工業(yè)市場采 用，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)從 NXP、Nvidia、高通公司或 Intel 等公司的低成本的片上系統(tǒng)（SOC）或模塊上 系統(tǒng)（SOM）的集成。設(shè)計(jì)一種具有 MIPI CSI-2 傳感器接口的 CMOS 圖像傳感器，無需任何中間轉(zhuǎn)換器 橋，直接將圖像傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2447/" target="_blank">嵌入式系統(tǒng)的主機(jī) SOC 或 SOM，從而節(jié)省了成本和 PCB 空間，當(dāng) 然，在基于多傳感器的嵌入式系統(tǒng)（如 360 度全景系統(tǒng)）中，這一優(yōu)勢更為突出。

不過這些好處受到一些限制，因?yàn)?MIPI 接口的連接距離限制為 20 cm，這在傳感器距離主機(jī)處理器較遠(yuǎn) 的遠(yuǎn)程設(shè)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)，使用集成更長接口的相機(jī)板解決方 案是比較好的選擇。一些現(xiàn)成的解決方案可以集成，例如工業(yè)相機(jī)制造商（如 Flir、AVT、Basler 等）的 相機(jī)板通?？稍?MIPI 或 USB3 接口中使用，后者能夠達(dá)到的范圍可以超過 3 米至 5 米。

1.3. 減小開發(fā)成本

在投資新產(chǎn)品時(shí)，不斷上升的開發(fā)成本往往是一個(gè)挑戰(zhàn)；它可能會(huì)在一次性開發(fā)費(fèi)上花費(fèi)數(shù)百萬美元，并 給上市時(shí)間帶來壓力。對(duì)于嵌入式視覺，這種壓力變得更大，因?yàn)槟K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(yùn)的是，通過在傳感器之間提供一定程度的交叉兼容性，例如，通過定 義共享相同像素體系結(jié)構(gòu)的組件系列以具有穩(wěn)定的光電性能，通過具有共用光學(xué)中心來共享單個(gè)前端機(jī)制， 以及通過兼容的 PCB 組件來簡化評(píng)估，集成和供應(yīng)鏈，從而減小開發(fā)費(fèi)用。

為簡化相機(jī)板設(shè)計(jì)（即使用于多款傳感器），有兩種方法設(shè)計(jì)傳感器封裝。針腳對(duì)針腳兼容是相機(jī)板設(shè)計(jì) 人員的首選設(shè)計(jì)，因?yàn)樗苁苟喾N傳感器共享同一電路和控制，使得組裝完全不受 PCB 設(shè)計(jì)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，但是這也意味著他們可能要應(yīng)付 每一款傳感器的接口和布線的差異狀況。

圖 1： 圖像傳感器可經(jīng)設(shè)計(jì)提供針腳兼容 （ 圖左 ） 或尺寸兼容 （ 圖右 ） 以實(shí)現(xiàn)專有 PCB布局設(shè)計(jì)

2. 能效提供更佳單獨(dú)工作能力

微型電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備是最明顯的受益于嵌入式視覺的應(yīng)用程序，因?yàn)橥獠坑?jì)算機(jī)阻止任何便攜式應(yīng)用程序 的發(fā)生。為了降低系統(tǒng)的能耗，圖像傳感器現(xiàn)在包含了多種功能，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠節(jié)省電力。

從傳感器角度出發(fā)，有多種方法減小嵌入式視覺系統(tǒng)功耗而不損采集幀率。最簡單的方法是通過盡可能長 時(shí)間使用待機(jī)或閑置模式，在系統(tǒng)級(jí)最小化傳感器本身的動(dòng)態(tài)操作。待機(jī)模式通過關(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(shù)微秒內(nèi)重新啟動(dòng)獲取 圖像。

而在傳感器設(shè)計(jì)集成節(jié)能的另一個(gè)方法是采用先進(jìn)光刻節(jié)點(diǎn)技術(shù)。技術(shù)節(jié)點(diǎn)越小，轉(zhuǎn)換晶體管所需的電壓 便越小，由于功耗與電壓成正比，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(shù)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(jié)點(diǎn)，使得嵌入式視覺應(yīng)用更省能。

最后一點(diǎn)是，通過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(tǒng)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來提高反差。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(xiàn)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(qiáng)度，或是減小集成進(jìn)嵌入式視覺系統(tǒng)的 LED 燈數(shù)目。在其他情況下，當(dāng)圖像捕獲和 LED 閃爍 由外部事件觸發(fā)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅髯x出結(jié)構(gòu)可以顯著節(jié)省電能。使用傳統(tǒng)卷簾快門傳感器，幀全曝光 時(shí) LED 燈必需全開，而全局快門傳感器則允許只在幀的某部份開動(dòng) LED 燈。所以如使用像素內(nèi)相關(guān)雙采 樣（CDS）應(yīng)用下，以全局快門傳感器替代卷簾快門傳感器就可以節(jié)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(yīng)用程序設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)鋪平了道路

嵌入式視覺的一些偏鋒延展概念，引導(dǎo)我們對(duì)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(tǒng)） 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能和功耗。不過，開發(fā)這一類產(chǎn)品的成本十分高昂，能夠達(dá)到這一集成 水平的全定制傳感器長遠(yuǎn)來說并非完全不可能，而現(xiàn)在我們正處于一個(gè)過渡階段，包含將某些功能直接嵌 入到傳感器，以減省計(jì)算負(fù)載和加快處理時(shí)間。

例如在條形碼閱讀應(yīng)用， Teledyne e2v 公司已擁有專利技術(shù)，將包含一個(gè)專有條形碼識(shí)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(nèi)的條形碼位置，讓圖像信號(hào)處理器只需聚焦于這些范圍， 提高數(shù)據(jù)處理效率。

圖二： Teledyne e2v Snappy 五百萬像素芯片，自動(dòng)識(shí)別條形碼位置

另一個(gè)減少處理負(fù)載和優(yōu)化“良好”數(shù)據(jù)的功能是 Teledyne E2V 的專利快速曝光模式，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(xiàn)飽和。這項(xiàng)功能優(yōu)化了處理時(shí)間，因?yàn)樗m應(yīng)了單幀中 光照的波動(dòng)，而且這種快速反應(yīng)最大限度地減少了處理器需要處理的“壞”圖像的數(shù)量。

這些功能通常是特定的，需要很好地理解客戶的應(yīng)用程序。只要對(duì)應(yīng)用程序有足夠的了解，就可以設(shè)計(jì)多 種其他片上功能來優(yōu)化嵌入式視覺系統(tǒng)。

4. 減小重量尺寸以配合最小應(yīng)用空間

嵌入式視覺系統(tǒng)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(shè)備/或延長電池推 動(dòng)產(chǎn)品的工作時(shí)間。這就是現(xiàn)在大部份嵌入式視覺系統(tǒng)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(xiàn)在的 65nm 工藝讓我們能夠把全局 快門像素尺寸減小至 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 CMOS 圖像傳感器 能夠配合手機(jī)市場要求小于 1/3 英寸的規(guī)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(jí)封裝在過去數(shù)年在市場迅速成長， 在移動(dòng)、車載電子和醫(yī)療應(yīng)用中特別明顯。相較用工業(yè)市場常用的傳統(tǒng)陶瓷 （Ceramic Land Grid Array， 簡稱 CLGA） 封裝，芯片級(jí)扇出封裝能夠?qū)崿F(xiàn)更高密度連接，因而是嵌入式系統(tǒng)圖像傳感器輕量化小型化 挑戰(zhàn)的出色解決方案。例如 Teledyne e2v 的 Emerald 2M 圖像傳感器芯片級(jí)封裝，側(cè)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(jí)扇出有機(jī)封裝 （ 圖右 ） 的比較。后者能夠減少占位、厚 度和成本。 。

展望未來，我們預(yù)期新的技術(shù)能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)嵌入式視覺系統(tǒng)所需的更小傳感器尺寸。

三維堆棧是讓半導(dǎo)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(duì)銅 連接和過硅沖孔（Through Silicon Vias，簡稱 TSV）技術(shù)進(jìn)行堆棧和互聯(lián)。三維堆棧因?yàn)槭嵌鄬又氐酒?允許器件實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)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(hào)處理器的載荷。

圖 4 ：三維芯片堆棧技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)像素芯片、仿真和數(shù)字電路，甚至是用于專門應(yīng)用的附加處理芯片組合重迭，減小傳感器面積。

不過，要讓三維堆棧技術(shù)在圖像傳感器市場獲得廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在還面對(duì)著一些挑戰(zhàn)。首先這是一個(gè)新興的 技術(shù)，其次是它的成本較高，因?yàn)樾枰郊拥墓に嚥襟E，使得芯片成本比使用傳統(tǒng)技術(shù)的芯片高三倍以上。 因?yàn)槿S埋迭將主要是高性能或非常小占位尺寸的嵌入式視覺系統(tǒng)的選擇。

總結(jié)而言，嵌入式視覺系統(tǒng)可以歸納為一種“輕量”視覺技術(shù)，可以用于包括 OEM、系統(tǒng)集成商和標(biāo)準(zhǔn) 相機(jī)廠商等不同類型企業(yè)?！扒度胧?“是一個(gè)可用于不同應(yīng)用的概括性描述，因而不能開出列表說明它的特 征。不過優(yōu)化嵌入式視覺系統(tǒng)有幾個(gè)適用法則，就是一般而言，市場推動(dòng)力并非來自超級(jí)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)化嵌入式視覺系統(tǒng)的總體性能。合適的圖像傳感器能為嵌入式設(shè)計(jì)人員帶來更多靈 活性，節(jié)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(shè)計(jì)人員在無需面對(duì)更多復(fù)雜性的情 況下，選擇來自消費(fèi)市場的大量經(jīng)濟(jì)適用并具有優(yōu)化深度學(xué)習(xí)功能的圖像信號(hào)處理器。