安森美領(lǐng)先的成像技術(shù)助您推進視覺產(chǎn)品創(chuàng)新

在當(dāng)今數(shù)字化時代，視覺產(chǎn)品的需求與日俱增，在自主移動機器人 (AMR)、倉庫機器人、無人機、農(nóng)業(yè)、工廠檢查和安防/監(jiān)控等應(yīng)用場景，會實施基于機器視覺的人工智能 (AI) 與先進技術(shù)來執(zhí)行關(guān)鍵功能。要想提高現(xiàn)有的目標(biāo)檢測和識別能力，需要解決在不利光照條件下，對運動中的對象和更遠距離的精細細節(jié)捕獲圖像的難題。而安森美先進的CMOS圖像傳感器技術(shù)正是推動這一領(lǐng)域不斷創(chuàng)新的關(guān)鍵。這些技術(shù)不僅能夠提高圖像傳感器的靈敏度和分辨率，還能夠通過更加智能的傳感器片上多幀合成以及壓縮技術(shù)來獲得低系統(tǒng)帶寬需求的高動態(tài)范圍影像，還實現(xiàn)了HDR運動補償、LED閃爍抑制、運動喚醒等功能。在這樣一個競爭激烈的市場中，利用領(lǐng)先的CMOS圖像傳感器技術(shù)的企業(yè)將能夠更好地滿足市場需求，提高產(chǎn)品的競爭力和市場份額。因此，深入了解和應(yīng)用這一技術(shù)已經(jīng)成為了企業(yè)推進視覺產(chǎn)品創(chuàng)新的必要手段。

安森美（onsemi）最新推出的AR0822是一顆集eHDRTM  , 運動補償（Motion Compensation）, 運動喚醒（Wake on Motion）幾大硬核功能于一體的八百萬像素的4K圖像傳感器芯片。下面讓我們來了解一下這些專業(yè)名詞吧。

■   什么是HDR?

HDR = High Dynamic Range, 高動態(tài)范圍。也有叫WDR（Wide Dynamic Range）的，其實是不同廠家不同的叫法，實際上都是一樣的。

動態(tài)范圍計算公式：

Smax:最大可測量到的信號，即像素飽和信號值,也就是像素的滿井電荷；

Smin:最小可偵測到的信號，即SNR=1時的信號值，也就是全黑場景下的讀出噪聲；

也就是      

多次曝光是如何來提升動態(tài)范圍的呢？

T1=Long exposure time, T2=Short exposure time.

■   為什么需要HDR?

●   自然界的光線強度從0.0001 cd/m2 弱星光到超過100K cd/m2 的夏季太陽直射光，整個亮度的動態(tài)范圍約180dB. 人眼能分辨出來的最大動態(tài)范圍約120dB. 

●   當(dāng)今相機的應(yīng)用場景存在不少動態(tài)范圍的挑戰(zhàn)：

■   怎么樣才能更好的處理高亮度場景呢？

這三個維度基本上就代表了目前主流的HDR技術(shù)方向。

■   我們來看看目前主流的幾種實現(xiàn)HDR的技術(shù)：

●   多次曝光

●   大小像素

●   超級曝光 

o   多次曝光

多次曝光技術(shù)，通過長曝光來捕捉低亮度處的細節(jié)，通過中、短曝光來捕捉中高亮度處的圖像。在常規(guī)像素設(shè)計的情況下，通過多次曝光技術(shù)就可以達到120dB（3次曝光） 甚至140dB（4次曝光） 的動態(tài)范圍。然而一般的多次曝光技術(shù)存在不足：對于運動的物體會有運動偽色影，特別是對于LED光源，有時它能被短曝光時間捕捉到，有時候則不能，那就導(dǎo)致了LED閃爍不清的問題。典型的脈沖光源是LED交通燈、交通標(biāo)志和汽車尾燈。

o   大小像素

這類設(shè)計的芯片上同時存在大像素和小像素，大像素來捕捉低光信息，小像素來捕捉高光信息。由于大小像素是同時曝光的，這種設(shè)計避免了運動偽影問題。然而這種技術(shù)存在大像素QE損失，以及由于大小像素QE不同、串?dāng)_等影響產(chǎn)生的色彩問題，需要使用者花費大量的資源和成本來進行校正，給用戶帶來了很大的挑戰(zhàn)。大小像素技術(shù)是利用大像素和小像素感應(yīng)光線的比例來實現(xiàn)HDR，目前半導(dǎo)體制作技術(shù)能力不允許任意的擴大或者縮小像素物理尺寸，所以大小像素技術(shù)能達到動態(tài)范圍也是有限的。

在現(xiàn)在成本以及小型化壓力下，要將同樣分辨率的芯片做小，就需要使用更小的像素，大小像素方案比單像素方案更難去縮小像素尺寸。注:大小像素技術(shù)是安森美的專利，在2009年由美光公司獲得。

o   超級曝光，即我們在Hyperlux系列采用的技術(shù)。

通過增加額外的電路，當(dāng)像素電容飽和時候，溢出的電荷繼續(xù)轉(zhuǎn)移到外掛的電容存儲中去，從而實現(xiàn)了超大的滿井電荷，動態(tài)范圍能達到單次曝光110dB,多次曝光能達到150dB。這種方式在110dB下沒有LED 閃爍問題和運動偽影問題，同時還有非常好的低光照性能。

■   看了這么多的HDR技術(shù)，那么安森美AR0822是怎么樣的技術(shù)呢？為什么說它是eHDRTM 呢？

通常多次曝光的sensor會發(fā)送每一次曝光的數(shù)據(jù)給到后端處理器來進行合成，而3次曝光就需要發(fā)送3幀數(shù)據(jù)。當(dāng)今應(yīng)用對圖像傳感器的分辨率要求越來越高，4K 800萬能提供更多的細節(jié)，可是，3張800萬像素的圖片的數(shù)據(jù)量多大呢？如果是多相機的應(yīng)用方案呢？處理器能提供多大的帶寬呢？

如果采用傳統(tǒng)的HDR 數(shù)據(jù)傳輸方式，4K 3次曝光需要超過10Gbps,這對SERDES以及線纜的挑戰(zhàn)十分巨大。

AR0822 是eHDRTM  （embedded High Dynamic Range）,多次曝光合成是在sensor內(nèi)部進行完成的，通過內(nèi)部智能擬合以及壓縮功能，可以將3次曝光的20bit數(shù)據(jù)壓縮成12bit數(shù)據(jù)，然后再傳輸給后端平臺，極大的降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶寬。

AR0822 支持多種多次曝光合成線性化擬合功能，DLO(Digital Lateral Overflow)以及SCMAX(Smooth Combination Max)， 我們稱其智能擬合，這種模式降低了多次曝光合成時的亮度臨界區(qū)域的噪聲。

還記得我們前面說的多次曝光HDR的一個不足嗎？對，就是運動偽影以及LED 閃爍，AR0822 片上HDR合成還加入了運動補償（Motion compensation）功能來減輕這些問題：

運動補償包含運動捕捉和運動糾正兩個模塊，運動捕捉模塊來捕捉T1和T2之間的運動值（對每一個pixel進行motion mask的計算）,運動糾正模塊使用motion mask來對T1數(shù)據(jù)進行運動補償。

例圖：上路實拍，可以看出AR0822出色的HDR效果，以及極好的低亮度性能。

 注：圖片截取自視頻流。 

■   更值得一提的是，AR0822除了eHDRTM 外，還具備WOM (Wake on Motion)功能：

AR0822可以運行在極低的幀率下，當(dāng)檢測到畫面ROI區(qū)域中有運動發(fā)生，則去喚醒SOC，恢復(fù)sensor運行到正常模式。

而其杰出的motion detect ROI 則進一步降低功耗：

我們對畫面進行運動捕捉block 分區(qū)，只關(guān)注開啟區(qū)域的運動檢測，像典型的可視門鈴，上圖中場景內(nèi)存在樹木花草，一旦有什么“風(fēng)吹草動”或者小動物經(jīng)過，很可能系統(tǒng)就開啟誤報，而可編程的運動捕捉區(qū)域，可以很好的降低這種誤報。配合PIR，通過sensor自帶的運動捕捉和超級低功耗模式，可以讓整機系統(tǒng)電池使用時間延長50倍。 

先進的CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，將不斷推動視覺產(chǎn)品的創(chuàng)新和進步。無論是在工業(yè)自動化、汽車安全、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，這一技術(shù)都將扮演著越來越重要的角色。安森美的AR0822傳感器集eHDRTM  , 運動補償, 運動喚醒幾大硬核功能于一體，解決工程師在設(shè)計視覺系統(tǒng)時所面臨的動態(tài)范圍、運動偽影、LED閃爍、功耗等復(fù)雜挑戰(zhàn)，實現(xiàn)更多創(chuàng)新。