圖像感知：創(chuàng)新產(chǎn)品與技術(shù)貼近視覺的要求

　　作者：安森美半導(dǎo)體智能感知部全球市場(chǎng)及應(yīng)用工程副總裁易繼輝(Sammy YI)

　　視覺市場(chǎng)不斷演進(jìn)、增長(zhǎng)且多樣化和智能化

　　圖像感知無(wú)疑支持著汽車、工業(yè)和消費(fèi)三個(gè)主要市場(chǎng)領(lǐng)域的大趨勢(shì)。CCD和CMOS是兩種主要成像技術(shù)，但沒有單一的技術(shù)可適用于所有應(yīng)用，相較而言，CCD提供最佳的圖像均勻度、高線性動(dòng)態(tài)范圍、高光靈敏度和大光學(xué)格式，而CMOS具備靈活讀取、低功耗、高幀率、高集成度等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代圖像傳感器的創(chuàng)造者安森美半導(dǎo)體傳承40多年的成像經(jīng)驗(yàn)，擁有豐富的成像專知、寬廣的傳感器陣容、2000多項(xiàng)成像專利、強(qiáng)大的供應(yīng)鏈和卓越的品質(zhì)，以“創(chuàng)造超越人眼的新視覺”為使命，可根據(jù)應(yīng)用需求匹配相應(yīng)的技術(shù)，幫助使這三個(gè)領(lǐng)域的概念成為現(xiàn)實(shí)。

　　對(duì)于安森美半導(dǎo)體來(lái)說，把握市場(chǎng)趨勢(shì)并與客戶密切合作有助于推動(dòng)全新傳感器的開發(fā)和市場(chǎng)導(dǎo)入，例如用于工業(yè)攝像機(jī)的X-Class平臺(tái)和用于汽車應(yīng)用的Hayabusa?平臺(tái)。典型的市場(chǎng)需求包括在給定的光學(xué)節(jié)點(diǎn)上提供更高的分辨率，而無(wú)需犧牲圖像質(zhì)量。此外，隨著電子技術(shù)數(shù)量的增長(zhǎng)，功率預(yù)算(尤其是包括汽車在內(nèi)的便攜式電池供電產(chǎn)品)變得更加緊張，因此更高的能效也是一種常見的顯著需求。在大多數(shù)市場(chǎng)中，實(shí)現(xiàn)更短設(shè)計(jì)周期的壓力也是個(gè)現(xiàn)實(shí)情況。這表明了易于擴(kuò)展的圖像傳感器平臺(tái)對(duì)于幫助減少和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)階段，更快地將產(chǎn)品上市是至關(guān)重要的。

　　汽車領(lǐng)域

　　隨著對(duì)安全、便利的駕駛輔助方案需求的增長(zhǎng)，具備成像功能的車載系統(tǒng)數(shù)量也在快速增加。這些先進(jìn)的功能可實(shí)現(xiàn)諸如自適應(yīng)巡航控制和自動(dòng)緊急剎車等功能。除此之外，還有停車輔助功能，例如后視攝像機(jī)(這在一些地區(qū)已成為強(qiáng)制性要求)、360度全景環(huán)視系統(tǒng)，以及取代車鏡的攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等新興領(lǐng)域。

　　隨著先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的興起，促進(jìn)了攝像機(jī)及其他感知技術(shù)的發(fā)展。而更先進(jìn)的攝像機(jī)及其他感知技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用又推動(dòng)了ADAS和自動(dòng)駕駛的發(fā)展和實(shí)施。根據(jù)美國(guó)自動(dòng)駕駛標(biāo)準(zhǔn)和全自動(dòng)駕駛的實(shí)際情況，我們將在某一時(shí)間達(dá)到4級(jí)和5級(jí)的水平。這看來(lái)必會(huì)發(fā)生，只是時(shí)間表的問題，亞洲、美國(guó)和歐洲基于需求、社會(huì)接受度、基礎(chǔ)設(shè)施等會(huì)有不同的時(shí)間表，但自動(dòng)駕駛涵蓋安全的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還是個(gè)要解決的問題。

　　汽車環(huán)境通常會(huì)為圖像傳感器帶來(lái)極具挑戰(zhàn)性的工作條件和參數(shù)。場(chǎng)景可以有非常寬泛的動(dòng)態(tài)范圍，攝像機(jī)視野中直接來(lái)自如太陽(yáng)的最亮部分與隧道內(nèi)的黑暗區(qū)域之間形成極大反差。為了給ADAS算法及駕駛員呈現(xiàn)良好的場(chǎng)景視野，以一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍輸出捕獲場(chǎng)景中的細(xì)節(jié)至關(guān)重要。

　　我們需要結(jié)合多種技術(shù)以支持用于更高級(jí)別的ADAS和自動(dòng)駕駛的全面感知。除圖像傳感器外，還有毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和超聲波。每種技術(shù)在檢測(cè)范圍、物體尺寸、檢測(cè)移動(dòng)物體的能力、以及在微光或有限的能見度下工作的能力等參數(shù)方面都具有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。通過結(jié)合這些技術(shù)，能夠安全有效地滿足應(yīng)用的所有要求。安森美半導(dǎo)體已具有超越圖像感知的專知，在毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和超聲波領(lǐng)域都具有相應(yīng)的能力和產(chǎn)品，公司處于有利地位以結(jié)合這些不同感知技術(shù)及其各自的優(yōu)勢(shì)到集成方案中。

　　隨著汽車制造商轉(zhuǎn)向車載脈寬調(diào)制(PWM)LED照明的最新趨勢(shì)，以及這一技術(shù)在電子交通標(biāo)識(shí)和車輛信息通訊系統(tǒng)中的日益普及，圖像傳感器制造商面臨的挑戰(zhàn)可能會(huì)進(jìn)一步加劇。當(dāng)使用傳統(tǒng)攝像機(jī)捕獲時(shí)，尤其是在明亮的環(huán)境中，這些脈沖光源會(huì)出現(xiàn)閃爍，可能會(huì)引發(fā)ADAS算法的問題并會(huì)分散駕駛員的注意力。安森美半導(dǎo)體目前擁有先進(jìn)且可靠的消除LED閃爍(LFM)技術(shù)，能夠克服這一潛在的嚴(yán)重問題。

　　遵守嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)是為車載平臺(tái)提供適用于攝像機(jī)/視覺應(yīng)用的產(chǎn)品的先決條件。諸如AEC-Q100 2級(jí)、第4代ISO26262 ASIL-C(SEooC)等規(guī)格已經(jīng)很完善了。最近，支持針對(duì)L4、L5級(jí)自動(dòng)駕駛的網(wǎng)絡(luò)安全變得非常重要，它能為許多車輛系統(tǒng)(包括發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)的攝像機(jī))提供篡改防護(hù)。安森美半導(dǎo)體的圖像傳感器符合這些標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上，安森美半導(dǎo)體是全球首家提供含網(wǎng)絡(luò)安全以及功能安全圖像傳感器的公司。

　　方案要能用于由百度Apollo平臺(tái)、Mobileye、NVIDIA、英特爾和Qualcomm等領(lǐng)先品牌組成的不斷壯大的生態(tài)系統(tǒng)平臺(tái)也很重要。百度Apollo自動(dòng)駕駛平臺(tái)采用安森美半導(dǎo)體圖像傳感器，NVIDIA也是安森美半導(dǎo)體的戰(zhàn)略圖像傳感器合作伙伴。

　　安森美半導(dǎo)體也身處機(jī)器視覺和人類視覺融合(稱為Clarity +)的前沿，其可擴(kuò)展圖像傳感器平臺(tái)(該系列由AR0820、AR0220和AR0138組成)提供業(yè)界最高分辨率8.3 MP和用于高效開發(fā)的通用架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)ADAS/自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的進(jìn)一步細(xì)分，具備領(lǐng)先業(yè)界的微光性能、達(dá)ASIL-C等級(jí)的功能性安全，高動(dòng)態(tài)范圍、一個(gè)業(yè)界首創(chuàng)的網(wǎng)絡(luò)安全選項(xiàng)，以及可縮小封裝尺寸的第二代晶圓堆疊技術(shù)。該平臺(tái)的各項(xiàng)產(chǎn)品目前正給許多技術(shù)合作伙伴的評(píng)估，包括Mobileye和NVIDIA，用于其自動(dòng)駕駛車輛的DRIVE AI計(jì)算平臺(tái)。

　　消費(fèi)領(lǐng)域

　　消費(fèi)市場(chǎng)也許是最具多樣性且擁有最多不同應(yīng)用的市場(chǎng)。增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自諸如高端安防攝像頭、掃描、無(wú)人機(jī)、虛擬和擴(kuò)增實(shí)境等應(yīng)用，當(dāng)然也包括物聯(lián)網(wǎng)(IoT)這一大框架下的應(yīng)用。

　　正如汽車行業(yè)一樣，生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)于開發(fā)和實(shí)施有效方案的速度和便利性至關(guān)重要。安森美半導(dǎo)體正與合作伙伴密切合作，為終端客戶提供全面的集成方案。

　　基于視覺傳感器的安防設(shè)備是消費(fèi)市場(chǎng)向工業(yè)市場(chǎng)延伸的最大領(lǐng)域之一。在這一領(lǐng)域，中國(guó)仍然擁有最大的用戶群，其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是安全城市概念的實(shí)施，以及商業(yè)建筑和家居應(yīng)用。對(duì)傳感器的需求在于能夠在日間/夜間性能、高動(dòng)態(tài)范圍、幀率和分辨率等方面突破性能極限(所有這些都必須在緊湊的外形內(nèi)實(shí)現(xiàn))。不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)包括網(wǎng)絡(luò)安全的引入、人工智能(AI)及支持深度學(xué)習(xí)和視頻內(nèi)容分析的能力。安森美半導(dǎo)體首批采用近紅外+(NIR +)技術(shù)的CMOS圖像傳感器，有效地將高動(dòng)態(tài)范圍與增強(qiáng)的微光性能相結(jié)合，提升高端安防及監(jiān)控相機(jī)的圖像質(zhì)量，如AR0522基于背照式(BSI)像素技術(shù)平臺(tái)，近紅外波長(zhǎng)的靈敏度大概是現(xiàn)有的AR0521圖像傳感器的兩倍。而面向IoT、AR/VR和安防攝像機(jī)等應(yīng)用的AR0430擁有120幀/秒的速率，能夠從單一圖像傳感器同時(shí)獲取彩色圖像和深度映射，以超低功耗提供卓越的像素性能，榮獲2018 CES 創(chuàng)新獎(jiǎng)。

　　工業(yè)領(lǐng)域

　　由于工業(yè)應(yīng)用自動(dòng)化、日益增多的數(shù)量、以及更嚴(yán)苛的性能要求，這一市場(chǎng)的成像方案比以往更受關(guān)注。支持更高級(jí)別工廠自動(dòng)化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的機(jī)器視覺、以及智能交通系統(tǒng)的加速部署等應(yīng)用是目前產(chǎn)生需求的關(guān)鍵但不同的領(lǐng)域。與此同時(shí)，醫(yī)療和科學(xué)成像攝像機(jī)的高端應(yīng)用表明圖像傳感器制造商必須滿足基于CMOS或CCD的方案。

　　安森美半導(dǎo)體的X-Class平臺(tái)提供可擴(kuò)展的單一器件，適用于多種分辨率和像素，采用高帶寬、低功耗架構(gòu)，為機(jī)器視覺、智能交通系統(tǒng)和廣播成像等應(yīng)用提供高性能成像功能，并為新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供快速且簡(jiǎn)化的路徑。X-Class系列產(chǎn)品中的兩款器件XGS 12000和XGS 8000均基于此平臺(tái)的首款像素架構(gòu)，即3.2μm全局快門像素(小于早前的4.8μm和4.5μm像素)，能夠以相同的光學(xué)格式提供更高的分辨率，同時(shí)提高整體成像性能。全局快門還支持捕獲移動(dòng)物體，而不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影(這是工業(yè)場(chǎng)景中的常見需求)。

　　在工業(yè)領(lǐng)域，與其它行業(yè)一樣，將傳感器性能與一般常用計(jì)算機(jī)接口的性能相匹配對(duì)于進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和有效性非常重要。首兩款X-Class平臺(tái)器件突出了這一點(diǎn)，XGS 8000與高速視頻采集幀速率相匹配，XGS 12000高速版本能夠充分利用10GigE接口，XGS 12000低速版本與USB 3.0計(jì)算機(jī)接口的可用帶寬保持一致。

　　在頂級(jí)性能等級(jí)中，安森美半導(dǎo)體的Interline Transfer CCD (ITCCD)器件KAI-43140以便利且熟悉的35mm光學(xué)格式提供4300萬(wàn)像素的分辨率。該器件采用4.5 um ITCCD像素，相較于先前5.5 μm的設(shè)計(jì)，分辨率提高50%，支持高達(dá)4 fps的全分辨率幀速率，提供大于60分貝的動(dòng)態(tài)范圍、高度拖尾抑制、電子快門、CCD級(jí)圖像均勻性，支持短時(shí)間(小于10微秒)和長(zhǎng)時(shí)間(大于1秒)曝光。這些技術(shù)已經(jīng)開發(fā)用于從早前的器件中提供簡(jiǎn)單的升級(jí)路徑，只需稍做電氣變更，且更容易集成到攝像機(jī)設(shè)計(jì)中。它們提供關(guān)鍵的生產(chǎn)線終端檢測(cè)任務(wù)所需的性能，如大尺寸超高清屏幕、高端監(jiān)控和航拍。

　　安森美半導(dǎo)體寬廣的高分辨率CCD產(chǎn)品陣容提供多種分辨率、幀率(帶寬)和靈敏度(NIR和像素尺寸)選擇。

　　總結(jié)