全新的智能感知方案，安森美半導(dǎo)體助力自動(dòng)駕駛發(fā)展

從第一次工業(yè)革命機(jī)械化到第二次工業(yè)革命電力化，到第三次工業(yè)革命計(jì)算機(jī)數(shù)字化，到現(xiàn)在第四代工業(yè)革命人工智能化、信息化。人工智能對(duì)人類(lèi)社會(huì)的方方面面的影響和改變是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字工業(yè)革命帶來(lái)的改變。斯坦福大學(xué)人工智能專(zhuān)家，“人工智能之父”Andrew Ng認(rèn)為人工智能是新的電力，就像第二次工業(yè)革命電力給整個(gè)人類(lèi)帶來(lái)的一個(gè)巨大的深入改變；數(shù)據(jù)是人工智能的動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)，感知是數(shù)據(jù)的燃料。

為推動(dòng)AI和第四次工業(yè)革命的進(jìn)步，安森美半導(dǎo)體在感知上做了非常久的投入，包括圖像感知，多光譜、高光譜的感知，激光雷達(dá)感知、毫米波雷達(dá)感知、傳感器融合深度感知。9月25日，安森美半導(dǎo)體召開(kāi)“智能感知策略及方案”在線媒體交流會(huì)，安森美半導(dǎo)體智能感知部全球市場(chǎng)和應(yīng)用工程副總裁易繼輝向電子產(chǎn)品世界等媒體介紹了，公司在智能感知方面的新進(jìn)展和策略。

圖像傳感器：技術(shù)先進(jìn) 性能優(yōu)越

圖像傳感器示意圖

上圖是圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看起來(lái)像是高樓大廈，一共有六層，都是由半導(dǎo)體制成。市場(chǎng)上有一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為GPU和CPU是半導(dǎo)體里挑戰(zhàn)性和難度最高的，實(shí)際上和傳感器相比它是小巫見(jiàn)大巫。因?yàn)镚PU和CPU里，它所要對(duì)付的主要在電子（Electron）；但在圖像傳感器里，既要對(duì)付電子又要對(duì)付光子，光子和電子的結(jié)合使圖像傳感器變成非常復(fù)雜的半導(dǎo)體。未來(lái)還有更多芯片可以疊加起來(lái)，加上一些更智能化的，包括人工智能都可以直接放在圖像傳感器里。

圖像傳感的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程：光子打進(jìn)來(lái)以后轉(zhuǎn)換成電核，變成電信號(hào)，就相當(dāng)于下雨時(shí)拿著水桶接雨，水桶越大接的雨量越大；同樣，容積越大，光子轉(zhuǎn)化成電子的電容、電荷量就越多。安森美半導(dǎo)體利用新技術(shù)，在傳統(tǒng)小像素旁邊開(kāi)個(gè)大的蓄水池，把多余的電荷流到這邊，從而使整個(gè)光強(qiáng)量、信息量提高，動(dòng)態(tài)范圍增加。此技術(shù)多用在端攝影機(jī)里，比如好萊塢著名導(dǎo)演李安拍攝《少年派的奇幻漂流》使用的ARRI公司攝影機(jī)，就是用的安森美半導(dǎo)體的圖像傳感器。現(xiàn)在，安森美逐漸將這個(gè)技術(shù)轉(zhuǎn)入汽車(chē)行業(yè)，汽車(chē)的傳感器；接下來(lái)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)入到工業(yè)機(jī)器視覺(jué)和其他領(lǐng)域。

Hayabusa系列產(chǎn)品用了這個(gè)技術(shù)以后，一次曝光就能實(shí)現(xiàn)95dB；經(jīng)過(guò)多次曝光可以達(dá)到120dB；未來(lái)的平臺(tái)，下一代的產(chǎn)品一次曝光有望達(dá)到110dB，多次曝光可以達(dá)到140dB。

100dB的寬動(dòng)態(tài)是什么概念？以下圖為例，這是夜晚經(jīng)常碰到的場(chǎng)景，在這個(gè)場(chǎng)景下，車(chē)燈的寬動(dòng)態(tài)范圍是102dB。如果傳感器只是70dB，這種場(chǎng)景很多細(xì)節(jié)是看不出來(lái)的。比如旁邊有一個(gè)行人，如果傳感器的寬動(dòng)態(tài)不夠，不到100dB，是看不出來(lái)這有一個(gè)行人；若用在機(jī)器視覺(jué)，可能偵探不到有一個(gè)行人在車(chē)子旁邊。而安森美的110dB傳感器完全可以提供非常詳細(xì)的信息。

汽車(chē)感知的挑戰(zhàn)與方案

汽車(chē)感知的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在成像上，具體來(lái)說(shuō)有三個(gè)方面：

? 一是寬動(dòng)態(tài)。大家開(kāi)車(chē)的經(jīng)驗(yàn)經(jīng)常是，路的方向是固定的，在路上開(kāi)車(chē)時(shí)沒(méi)有辦法控制太陽(yáng)什么時(shí)候在哪個(gè)方向，有的時(shí)候就需要逆著太陽(yáng)開(kāi)。在自動(dòng)駕駛時(shí)，這樣的情況對(duì)攝像頭的要求就非常得高。大家也有許多的經(jīng)驗(yàn)，在強(qiáng)光下，因?yàn)楣饩€太強(qiáng)了，周?chē)黄?，什么都看不?jiàn)；從暗到亮，從車(chē)庫(kù)、隧道出來(lái)，如果寬動(dòng)態(tài)不夠，可能根本沒(méi)有辦法看到或者只能看到暗處，或者只能看到亮處。

? 二是環(huán)境條件，車(chē)要能在東北零下幾十度的環(huán)境開(kāi)，也能夠在沙漠開(kāi)或者南方高溫條件下開(kāi)。

? 三是對(duì)圖像傳感器來(lái)說(shuō)很獨(dú)特的挑戰(zhàn)：辨別LED指示牌、交通燈。現(xiàn)在包括中國(guó)、歐洲、美國(guó)、日本、其他國(guó)家在公路上都已經(jīng)開(kāi)始實(shí)行電子管控牌，都是用LED，對(duì)人來(lái)講非常舒服，老遠(yuǎn)就看得清清楚楚，很明亮，特別是夜晚。但這樣的LED因?yàn)殚W爍頻率沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，不一樣。所以，圖像傳感器有的時(shí)候容易因?yàn)轭l率不同步，經(jīng)常捕捉不到信號(hào)。對(duì)駕駛員人眼來(lái)看沒(méi)有太大問(wèn)題，但對(duì)機(jī)器視覺(jué)就是很大的挑戰(zhàn)。過(guò)去的方案都是在軟件里來(lái)解決，現(xiàn)在解決方案都已經(jīng)做到芯片級(jí)了，做到硬件里面去直接解決掉。

汽車(chē)自動(dòng)駕駛成像的多樣化，包括外部感知、內(nèi)部感知、增強(qiáng)視覺(jué)。外部感知非常復(fù)雜，包括遠(yuǎn)近、大小車(chē)輛、自行車(chē)；行人，大人、小孩、老人；一些路標(biāo)、車(chē)線，斑馬線，交通燈；要全天候的，白天，晚上，刮風(fēng)，下雨，下雪，霧天；各個(gè)季節(jié)，春、夏、秋、冬都要能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的感知，環(huán)境非常多樣化。

內(nèi)部感知，從最早只是對(duì)駕駛員的疲勞監(jiān)控（從看駕駛員眼睛的注意力和睫毛的抖動(dòng)偵查出是否疲勞），逐漸地?cái)U(kuò)大到駕駛員有沒(méi)有在用手機(jī)，有沒(méi)有分散精力，有沒(méi)有系好安全帶，還進(jìn)一步擴(kuò)大到乘客的感知。這也是一個(gè)未來(lái)新興市場(chǎng)。

視覺(jué)增強(qiáng)，主要是為了給駕駛員和乘客提供更好的視覺(jué)感知，包括電子后視鏡，不需要回頭就能在后視鏡直接看到真正的電子圖像；而且這種疊加，特別是把高清地圖和真實(shí)路況疊加起來(lái)，告訴你前面哪里有加油站，哪里有重要的景點(diǎn)，哪里有紅綠燈。這些都是視覺(jué)增強(qiáng)的應(yīng)用，讓駕駛員能夠更安全地駕駛。

針對(duì)智能駕駛艙解決方案，安森美半導(dǎo)體有兩款百萬(wàn)像素的解決方案，在業(yè)界很受歡迎。該公司的AR0144AT在整個(gè)業(yè)界用量是最大的一款。智能駕駛艙里的一個(gè)挑戰(zhàn)是，目前的攝像頭尺寸太大了，18×18cm3，最小的也是3×3cm3，安森美半導(dǎo)體和合作伙伴一起開(kāi)發(fā)了0.5×0.5cm3非常小型的攝像頭，放在車(chē)?yán)锍丝?、駕駛員基本上都不會(huì)看得到。

當(dāng)然，安森美半導(dǎo)體不光只是提供單一的產(chǎn)品，比如圖像傳感器和信號(hào)處理器（ISP），還提供很多其他的器件，包括二極管、LDO、電源管理IC。同時(shí)，安森美半導(dǎo)體的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是，在設(shè)計(jì)新的下一代圖像處理器時(shí)，可以和其他產(chǎn)品部門(mén)合作，來(lái)探討怎么樣開(kāi)發(fā)相應(yīng)的電子產(chǎn)品、器件，使攝像頭能夠達(dá)到最優(yōu)化。這是其他圖像處理器公司沒(méi)有辦法做到的。

安森美半導(dǎo)體能夠給客戶提供一站式的服務(wù)以及最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，再加上悠久的生產(chǎn)汽車(chē)元器件的歷史，其他元器件的車(chē)規(guī)、功能安全已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)ASIL-B程度。安森美半導(dǎo)體的元器件都是按照公司統(tǒng)一的質(zhì)量系統(tǒng)，擁有統(tǒng)一的可靠性能，統(tǒng)一的售后服務(wù)提供給客戶。

作為在行業(yè)內(nèi)第一個(gè)先做起生態(tài)系合作伙伴系統(tǒng)的公司，安森美半導(dǎo)體目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)超過(guò)50家合作伙伴，從光學(xué)鏡片到信號(hào)處理器，I/O、Interface接口、SoC處理器、軟件系統(tǒng)，都已經(jīng)有很多的合作伙伴。

工業(yè)機(jī)器視覺(jué)和邊緣AI

工業(yè)4.0、工業(yè)自動(dòng)化、人工智能使機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)快速發(fā)展，特別是在國(guó)內(nèi)。邊緣人工智能不斷地、幾乎每年會(huì)出現(xiàn)一些新領(lǐng)域，比如新零售，智慧農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)都開(kāi)始了智能化。一些新興設(shè)備，特別是在新冠狀病毒以后的后疫情時(shí)期有一些大的趨勢(shì)：

? 一是遠(yuǎn)程化。遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)越來(lái)越普遍。

? 二是無(wú)人化，例如無(wú)人送貨車(chē)、無(wú)人商店，減少人和人之間的接觸，即無(wú)接觸化。不需要開(kāi)門(mén)抓手把，不需要去推門(mén)，減少一些傳染。

? 還有一方面就是COVID-19的檢測(cè)，安森美半導(dǎo)體和世界上很多公司都在合作開(kāi)發(fā)COVID-19病毒檢測(cè)設(shè)備。

1.3英寸固定尺寸的圖像傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

上圖是1.3英寸固定尺寸的圖像傳感器在這些年的發(fā)展趨勢(shì)。從圖上可以看出，一是同樣圖像傳感器的分辨率在逐年提升，從過(guò)去的200萬(wàn)像素，500萬(wàn)，800萬(wàn)，1200萬(wàn)，現(xiàn)在達(dá)到超過(guò)2000萬(wàn)。二是噪聲導(dǎo)數(shù)，相當(dāng)于圖像質(zhì)量，在同樣大小的尺寸下的圖像傳感器逐年隨著像素的增大，圖像質(zhì)量也是不斷地提高。三是帶寬也是在逐年提高，29×29mm2標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)用攝像頭，在十年以前可能只是200萬(wàn)像素，后來(lái)逐漸增加到300萬(wàn)、500萬(wàn)、1200萬(wàn)，今年已經(jīng)能夠用到1600萬(wàn)像素。

安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品如上圖一樣都在逐代提高，性能的提高離不開(kāi)靠技術(shù)的推動(dòng)。安森美半導(dǎo)體在技術(shù)上有很深的積累：

? 全局快門(mén)，使在高速運(yùn)動(dòng)下使圖像不會(huì)有拖影。

? 內(nèi)校正，像素內(nèi)的校正，以前都是在系統(tǒng)里通過(guò)軟件校正，現(xiàn)在直接做到硬件里，像素內(nèi)部去做圖像校正。

? 工藝節(jié)點(diǎn)，從110納米到65納米，再到45納米，甚至更小，充分利用了摩爾定律的優(yōu)勢(shì)，即成本、尺寸、耗電量都在逐年下降。

? 背照式，在同樣尺寸下，分辨率越來(lái)越高，像素尺寸可能越來(lái)越小，感光量、感光度；特別是暗光下，性能可能就會(huì)降低，背照式就是用來(lái)提高感光能力。

? 堆棧架構(gòu)，以后就不光是兩維空間了，而是三維，堆棧式，兩次堆棧，三次堆棧都有可能實(shí)現(xiàn)。

? 以后不光把模擬和數(shù)字信號(hào)放在第二層，甚至于人工智能一些算法放在第三層里，整個(gè)圖像傳感器就是高智能化的圖像傳感器。

安森美半導(dǎo)體的XGS系列圖像傳感器，從200萬(wàn)像素一直到4500萬(wàn)像素，有11款不同像素的產(chǎn)品。該系列有個(gè)最大的特點(diǎn)，客戶只需要兩塊線路板設(shè)計(jì)就能支撐11款不同的傳感器，相對(duì)于11個(gè)線路板就節(jié)省了大量的成本和時(shí)間。我該系列的產(chǎn)品性能有極大的提高，包括幀數(shù)、寬動(dòng)態(tài)、暗電流。其中，29×29mm2這款攝像頭，創(chuàng)造了行業(yè)第一；它可以用到1600萬(wàn)像素的攝像頭里。下面介紹幾個(gè)XGS系列圖像傳感器的具體應(yīng)用。

1.平板檢測(cè)

平板檢測(cè)是整個(gè)工業(yè)機(jī)器視覺(jué)行業(yè)中，對(duì)圖像傳感器最有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。它從1K、2K、4K一直到8K，像素在逐漸擴(kuò)大。檢測(cè)過(guò)程分兩步：第一步是暗檢測(cè)，上電前主要檢測(cè)一些指紋、劃痕和其他物理上的問(wèn)題；第二步是上電以后，特別是在OLED，加上最新的AMOLED（Active Matrix OLED）。

LED是有一個(gè)亮板在后面作為發(fā)光源，而OLED，特別是AMOLED，它的每個(gè)像素都是一個(gè)單獨(dú)發(fā)光源。像素和像素之間發(fā)光的強(qiáng)度和色彩的均勻度都要能夠很準(zhǔn)確地偵測(cè)出來(lái)，這就對(duì)圖像傳感器的要求非常高。過(guò)去檢測(cè)LED面板上的1顆像素，對(duì)應(yīng)需要9顆像素（3×3），OLED則對(duì)應(yīng)需要16顆（4×4），甚至25顆（5×5）像素。所以對(duì)圖像傳感器的像素要求越來(lái)越高，從4,500萬(wàn)要到1.5億像素，甚至超過(guò)2億像素。

2.監(jiān)控和廣播

另一個(gè)是廣播、監(jiān)控的應(yīng)用。在同樣的圖像質(zhì)量情況下，像素越大版面越大，如8K。下圖是安森美半導(dǎo)體的最新款4500萬(wàn)像素的圖像傳感器，這款傳感器已經(jīng)被客戶選中，將來(lái)會(huì)用到東京奧林匹克的會(huì)場(chǎng)上。它還有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)是速度非?？?，每秒60幀，12bit。

3.PCB檢測(cè)

在工業(yè)制造里，勞動(dòng)生產(chǎn)率是降低成本很主要的因素，線路板檢測(cè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，就是在固定單位時(shí)間內(nèi)所能檢測(cè)的線路板面積越大，勞動(dòng)生產(chǎn)效率就會(huì)越高。相對(duì)圖像傳感器來(lái)講，單位時(shí)間內(nèi)收集信息量越大，生產(chǎn)效率就越高。安森美半導(dǎo)體的這款PCB檢測(cè)圖像傳感器是2100萬(wàn)像素，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的是500萬(wàn)像素和1300萬(wàn)像素，信息采集量比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手能大了4倍，能夠成倍地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

即將推出的4K傳感器

安森美半導(dǎo)體即將推出一款4K圖像傳感器，下圖是該產(chǎn)品的寬動(dòng)態(tài)效果圖。這個(gè)場(chǎng)景人眼是完全不能看的，非常刺眼，眼睛睜不開(kāi)。而這款圖像傳感器不光能夠看清場(chǎng)景，連燈絲都能看得非常清楚。而0.2cd/cm2光照量非常低和190,000cd/cm2光照量非常高的兩種情況并存時(shí)，兩處場(chǎng)景都能看到，這非常不容易，已經(jīng)超過(guò)了人眼能力。還有一個(gè)特點(diǎn)就是過(guò)渡噪聲非常小，黑暗與明亮交界的地方輪廓非常清晰。這樣清晰的數(shù)據(jù)給人工智能提供了大量的可靠數(shù)據(jù)，在這種場(chǎng)景下，如果人工智能完全沒(méi)有辦法辨識(shí)和識(shí)別物體，這款傳感器就能夠提供更多的信息。

另外，這款傳感器還有很好的低照度能力，下圖是0.2勒克斯，幾乎非常暗的光線下能夠看得非常清楚。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)的傳統(tǒng)技術(shù)是APD，叫做雪崩光電二極管。它的缺點(diǎn)是體積大、功耗高、偵測(cè)距離范圍有限、一致性不好。安森美半導(dǎo)體用的技術(shù)叫做SiPM（硅光電倍增管），優(yōu)勢(shì)在于它的增益是APD的1萬(wàn)倍，靈敏度是APD的2000倍，工作電壓要求非常低，只要30V，而APD要250V。它的一致性非常好，特別在大批量生產(chǎn)的時(shí)候可以批量化。

安森美半導(dǎo)體的激光雷達(dá)產(chǎn)品有單點(diǎn)的，例如在醫(yī)療、工業(yè)、汽車(chē)都有應(yīng)用；還有新開(kāi)發(fā)出來(lái)的陣列，1×12或1×16，下一代的激光雷達(dá)都會(huì)用到這樣的產(chǎn)品。最新開(kāi)發(fā)出來(lái)的叫做SPAD面陣，是400×100，已經(jīng)不是點(diǎn)云了，已經(jīng)和圖像傳感器差不多了，相當(dāng)于是一個(gè)圖像，將來(lái)完全可以實(shí)現(xiàn)有深度信息的圖像。

毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)的適用范圍有：L1、L2、L3、L4、L5。在不同自動(dòng)駕駛的級(jí)別上有不同的應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體的下一代毫米波雷達(dá)產(chǎn)品的重點(diǎn)是放在L3上。用的技術(shù)叫做“MIMO+”，是安森美半導(dǎo)體的專(zhuān)利，是新開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)。它能夠提供4D的信息，R是距離，V是速度，A是角度，E是高度，能夠提供四維信息，用于L3層級(jí)的自動(dòng)駕駛。

與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，安森美半導(dǎo)體的MIMO+加上實(shí)際通道、虛擬通道，要比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手多一倍的通道。同樣性能的毫米波雷達(dá)，安森美的可以節(jié)省50%的mmIC器件、減少優(yōu)化控制器、線路板，降低總體成本。同時(shí)，還會(huì)開(kāi)發(fā)雷達(dá)信號(hào)處理，安森美的對(duì)外聯(lián)接接口是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不管是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)還是未來(lái)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

安森美半導(dǎo)體未來(lái)的方向?qū)@3D成像、高光譜和多光譜成像三個(gè)方面，但現(xiàn)有的方案都是在系統(tǒng)上解決。比如3D就是雙目，兩個(gè)攝像頭，或者結(jié)構(gòu)光來(lái)解決；高光譜、多光譜，是用多個(gè)鏡頭或者多個(gè)相機(jī)在系統(tǒng)里合成。安森美半導(dǎo)體希望把這些困難和問(wèn)題，在半導(dǎo)體層面用摩爾定律來(lái)解決，從而達(dá)到降低成本，縮小尺寸、降低功耗的目的。