圖像傳感器推動嵌入式視覺技術發(fā)展

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，到無人機消防或用于農(nóng)業(yè)，再到生物特征面部 識別，再到家庭中的護理點手持醫(yī)療設備。出現(xiàn)這些新應用程序的一個關鍵因素是，嵌入式視覺比以往任 何時候都更普及。嵌入式視覺不是一個新概念；它只是定義了一個系統(tǒng)，其中包括一個視覺設置，在沒有 外部計算機的情況下控制和處理數(shù)據(jù)。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”。

近年源于消費類市場經(jīng)濟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 等圖像信號處理器。在軟件級方面，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，即便是針對小批量生產(chǎn)。

第二個推動嵌入式視覺系統(tǒng)發(fā)展的變化是機器學習的出現(xiàn)，它使實驗室中的神經(jīng)網(wǎng)絡能夠接受培訓，然后 直接上傳到處理器中，以便它能夠自動識別特征，并實時做出決定。

能夠提供適用于嵌入式視覺系統(tǒng)的解決方案，對于面向這些高增長應用的成像企業(yè)來說至關重要。圖像傳 感器由于能夠直接影響嵌入式視覺系統(tǒng)的效能和設計，因而在大規(guī)模引進中有重要角色，而它的主要推動 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. 降低成本至關重要

嵌入式視覺新應用的加速推動器是滿足市場需求的價格，而視覺系統(tǒng)成本正是實現(xiàn)這要求的一個主要制肘。

1.1. 節(jié)省光學成本

減小視覺模塊成本的第一個途徑是縮小產(chǎn)品尺寸， 原因有兩個：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──入門級的 M12 鏡頭的價格約為 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。

對于圖像傳感器制造商來說，這種降低的光學成本對設計有另一個影響，因為一般來說，光學成本越低， 傳感器的入射角越不理想。因此，低成本光學需要在像素上方設計特定的位移微透鏡，以補償來自廣角的 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，因為它提供了一個從 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。設計一種具有 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://www.wenjunhu.com/v/tag/2447/" target="_blank">嵌入式系統(tǒng)的主機 SOC 或 SOM，從而節(jié)省了成本和 PCB 空間，當 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，使用集成更長接口的相機板解決方 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 3 米至 5 米。

1.3. 減小開發(fā)成本

在投資新產(chǎn)品時，不斷上升的開發(fā)成本往往是一個挑戰(zhàn)；它可能會在一次性開發(fā)費上花費數(shù)百萬美元，并 給上市時間帶來壓力。對于嵌入式視覺，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，通過具有共用光學中心來共享單個前端機制， 以及通過兼容的 PCB 組件來簡化評估，集成和供應鏈，從而減小開發(fā)費用。

為簡化相機板設計（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)設計提供針腳兼容 （ 圖左 ） 或尺寸兼容 （ 圖右 ） 以實現(xiàn)專有 PCB布局設計

2. 能效提供更佳單獨工作能力

微型電池驅(qū)動的設備是最明顯的受益于嵌入式視覺的應用程序，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(tǒng)的能耗，圖像傳感器現(xiàn)在包含了多種功能，使系統(tǒng)設計者能夠節(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 時間使用待機或閑置模式，在系統(tǒng)級最小化傳感器本身的動態(tài)操作。待機模式通過關閉仿真電路，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)重新啟動獲取 圖像。

而在傳感器設計集成節(jié)能的另一個方法是采用先進光刻節(jié)點技術。技術節(jié)點越小，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 生產(chǎn)的像素不單把晶體管縮小到 110nm，同時也把數(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 技術節(jié)點，使得嵌入式視覺應用更省能。

最后一點是，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 主動照明，例如三維地圖生成、動作停頓、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 電流密度強度，或是減小集成進嵌入式視覺系統(tǒng)的 LED 燈數(shù)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，選擇適當?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 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 LED 燈。所以如使用像素內(nèi)相關雙采 樣（CDS）應用下，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系統(tǒng)鋪平了道路

嵌入式視覺的一些偏鋒延展概念，引導我們對圖像傳感器進行全面定制，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，能夠達到這一集成 水平的全定制傳感器長遠來說并非完全不可能，而現(xiàn)在我們正處于一個過渡階段，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間。

例如在條形碼閱讀應用， Teledyne e2v 公司已擁有專利技術，將包含一個專有條形碼識別算法的嵌入式 功能加進傳感器芯片，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，自動識別條形碼位置

另一個減少處理負載和優(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 夠自動校正曝光時間，以避免照明條件變化時出現(xiàn)飽和。這項功能優(yōu)化了處理時間，因為它適應了單幀中 光照的波動，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(shù)量。

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

4. 減小重量尺寸以配合最小應用空間

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，以便用于手持式設備/或延長電池推 動產(chǎn)品的工作時間。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是縮小封裝尺寸。芯片級封裝在過去數(shù)年在市場迅速成長， 在移動、車載電子和醫(yī)療應用中特別明顯。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，我們預期新的技術能進一步實現(xiàn)嵌入式視覺系統(tǒng)所需的更小傳感器尺寸。

三維堆棧是讓半導體器件生產(chǎn)的創(chuàng)新技術，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 連接和過硅沖孔（Through Silicon Vias，簡稱 TSV）技術進行堆棧和互聯(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處理器的載荷。

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

不過，要讓三維堆棧技術在圖像傳感器市場獲得廣泛應用，現(xiàn)在還面對著一些挑戰(zhàn)。首先這是一個新興的 技術，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(tǒng)技術的芯片高三倍以上。 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，可以用于包括 OEM、系統(tǒng)集成商和標準 相機廠商等不同類型企業(yè)。“嵌入式 “是一個可用于不同應用的概括性描述，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)有幾個適用法則，就是一般而言，市場推動力并非來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)化嵌入式視覺系統(tǒng)的總體性能。合適的圖像傳感器能為嵌入式設計人員帶來更多靈 活性，節(jié)省材料清單成本，減小照明和光學組件的占位面積。它也讓設計人員在無需面對更多復雜性的情 況下，選擇來自消費市場的大量經(jīng)濟適用并具有優(yōu)化深度學習功能的圖像信號處理器。