Global Shutter為AI 點睛 - 全文

關鍵詞： SmartSens , CMOS傳感器 , 快門

來源：思特威SmartSens Technology

前言：

AI（人工智能），是目前科技行業(yè)最火的話題。從Alpha Go戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍柯潔，到德勤與Kira Systems 聯(lián)手，將AI引入會計、稅務、審計等財務工作領域，可以看出，AI離我們的生活越來越近了。

AI到底能做什么，每個人都有自己的看法，大家對AI有著非常多的期待，期待AI能夠解放人類雙手，提高人類的工作效率。但不管怎么樣，大家都希望AI可以讓機器像人一樣思考學習，像人一樣聽懂語音識別，像人一樣控制運動，像人一樣進行視覺識別，用機器實現(xiàn)目前所有必須借助人類智慧才能實現(xiàn)的任務。

在AI技術里，人工神經網絡非常關鍵。在人工神經網絡模型中，其結構分為輸入層，隱藏層和輸出層。（如下圖）

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而做為AI的輸入，目前主要是通過視覺輸入和語音輸入。為了讓機器像人一樣進行視覺識別，目前最重要的器件就是Camera sensor。Camera sensor就像機器的眼睛，為機器感知周圍的世界。Camera sensor的拍照效果，跟很多參數(shù)有關，曝光時間是圖像傳感器其中一個重要的參數(shù)，而快門速度則會影響到Camera sensor的曝光時間。

那什么是快門呢？

快門主要用來控制攝像頭傳感器的有效曝光時間。一般而言快門的時間范圍越大越好。若想抓到急速移動的物體，就需要快門速度越快越好。而若需要看到夜晚的車水馬龍，就需要快門時間越長越好。

目前主要由兩種曝光Shutter技術： Rolling Shutter 和 Global Shutter

Rolling Shutter：

Rolling Shutter的sensor 的曝光是按照逐行曝光的方式實現(xiàn)。在曝光開始的時候，Sensor逐行掃描逐行進行曝光，直至所有像素點都被曝光。當然，所有的動作在極短的時間內完成。不同行像元的曝光時間不同。

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（圖片來源于網絡）

Global Shutter：

與RollingShutter不同，是整幅畫面同一時間曝光實現(xiàn)。攝像頭傳感器sensor的所有像素點同一時間感應光線，同時曝光。Sensor讀出的是同一時間的同一畫面。

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（圖片來源于網絡）

下面有兩張圖可以介紹這兩種技術：

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(圖片來源于網絡）

左邊的圖是Rolling shutter的曝光方式，逐行掃描。而右面的圖則是Global Shutter的曝光方式，所有像素點一起曝光。
在拍照的時候，Rolling Shutter成像過程如下圖：

左邊，是一個常見的場景（上面風扇，下面小汽車），Rolling Shutter對它進行逐行掃描，成像結果如右圖。面對一個運動中的物體，Rolling Shutter是一行一行曝光，采集畫面，所以形變非常嚴重。而Global Shutter是所有像素同時曝光，所以不會產生此形變。

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（圖片來源于網絡）

之所以Global Shutter 能夠做到全局曝光，跟Rolling Shutter相比，主要是Global Shutter在每一個像素上都增加了一個存儲單元，才使得所有的像素能夠同時曝光。

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同Rolling shutter相比，Global shutter的sensor可以很好的解決以下問題：

1. 高速物體變形 （左圖是采用Global shutter技術的 SmartSens SC132GS拍攝的圖片，右圖是 Rolling shutter sensor拍攝的圖片）。

可以明顯看出用Rolling shutter sensor拍攝高速運動的風扇，物體會變形。

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（圖片來源于SmartSens）

2. 明暗現(xiàn)象 （左圖是采用Global shutter技術的 SC132GS拍攝的圖片，右圖是沒有采用HDR技術拍攝的圖片）

在光線有明暗變化的時候，左圖Global shutter sensor 不會有明暗瑕疵，可以做到單幀HDR。

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（圖片來源于SmartSens）

成像技術不停的演進，促進了AI的發(fā)展。通過AI，大數(shù)據和互聯(lián)網技術，帶動了智慧城市的建設。智能安防，智慧交通，智慧工廠，智慧商業(yè)，智能家居，都能看到Camera的身影。一般情況下，Rolling shutter技術就足夠了，但若要捕捉高速運動物體，或在環(huán)境光條件不理想的情況下獲取清晰圖像的時候，使用Global Shutter技術，無疑會帶來更好的效果。

1. 智慧安防

目前來看，AI最容易落地的就是安防領域。通過AI技術，將監(jiān)控中的人準確無誤的抓拍下來，可以最大化的實現(xiàn)監(jiān)控目的。一般情況下，安防Camera主要抓拍的都是行人，都是慢速運動的物體，Rolling shutter sensor就可以勝任。但若通過Global shutter sensor，則可以在高速移動的拍攝場景中有效降低圖像畸變，避免了抓拍時，人物或物體運動帶來的斜坡晃動現(xiàn)象，以及人臉模糊的問題，從而提供更清晰的圖像。因此在高速違章查處，卡口ETC等需要道路監(jiān)控的地方，Global Shutter比Rolling Shutter更加勝任。

2. 智慧交通

為了讓城市交通更加便利，疏導公共交通，智慧交通系統(tǒng)是解決交通發(fā)展瓶頸的有效手段之一。高速違章查處，卡口ETC，十字路口的道路監(jiān)控，停車場的智能管理，道路流量監(jiān)測，電子警察等都離不開成像技術。只有準確的成像信息，才能更加準確地判斷當前的路況以及車輛的情況，才能更好地實現(xiàn)智慧交通。這個時候，Global shutter可以更好的助力智慧交通。

為了實現(xiàn)智慧交通，從汽車角度來看，新型汽車都在從ADAS輔助駕駛向自動駕駛的方向演進。無論是輔助駕駛還是自動駕駛，汽車的中控芯片對sensor接收下來的圖像信息要求越來越高。中控芯片需要sensor在車輛高速運動中，不僅提供沒有變形的清晰圖片，還需要提供周邊物體與車輛的距離。而Global shutter sensor一方面可以避免車輛高速運動時，Rolling shutter sensor 拍攝變形的問題，另外一方面，結合結構光技術（接收sensor是Global shutter的）或者雙目攝像頭（兩個攝像頭若都是Global shutter最好）技術，就可以提供更清晰的圖像，以便于中控更加精準的計算出周邊物體與車體的距離，判斷當前的路況，判斷交通燈的狀況，才能使車輛行駛更加安全。

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3. 智慧工廠

由于Global shutter sensor可以清楚的還原高速運動中的物體的形態(tài)，有效避免Rolling shutter sensor 擔心圖像質量而降低自動流水線的速度問題。所以大型工廠在檢測，質量管控，機械臂操作，物流，測量等自動化生產時，使用Global shutter可以提高生產效率。

4. 智慧商業(yè)

隨著支付寶，微信支付的發(fā)展，國內二維碼支付變得非常流行。而對于店家來講，掃碼設備的需求也在增長。對于掃碼設備來講，若用Global shutter sensor可以使掃碼設備的可識別區(qū)域變長，使用戶擁有更優(yōu)的體驗感。

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（圖片來源于SmartSens）

5. 智能家居

家用設備若要智能化，也需要Camera的幫忙。比如，掃地機器人。掃地機器人若想將屋內的空間測量出來或者識別前方是否有障礙物，都離不開Camera這只眼睛。同樣，Global shutter則可以幫助掃地機器人更加精準的獲得距離信息，使得掃地機器人更加智能化。

雖然說Global Shutter 有很多優(yōu)勢，但是也無法完全替代Rolling Shutter。Global shutter sensor適用于拍攝高速運動物體，或AI應用中基于機器視覺算法的智能感知技術（vSLAM/手勢跟蹤識別/光流等算法），Rolling Shutter sensor則適用于拍攝運動速度相對較慢的物體或場景，可獲得更高的成像信噪比。而且由于Global shutter 需要對每個像素都要增加一個存儲單元，這樣增加了sensor的生產難度以及成本。

考慮到BSI在低照條件下的成像亮度和清晰度都比FSI有更大的優(yōu)勢，可以有效增加Global shutter sensor在應用場景上的拓展，適應性更廣，SmartSens首創(chuàng)將BSI技術和Global shutter技術相結合，發(fā)布了多款基于BSI(背照式)的Global Shutter sensor產品。

AI和IoT的發(fā)展，影響著人們的生活，甚至在改變人們的生活。而做為AI和IoT的眼睛，Camera sensor的技術發(fā)展也間接影響著AI和IoT的發(fā)展。SmartSens的理念是服務于應用技術的發(fā)展趨勢，根據市場和應用技術的需求，將看清萬物的“眼”做到極致。通過不斷完善提升CMOS成像傳感器的設計和制造能力，為AI和IoT點睛。