本文作者：安森美智能感知事業(yè)群工業(yè)感知部應用工程高級經(jīng)理Open.Kai

在當今數(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)控等應用場景，會實施基于機器視覺的人工智能 (AI) 與先進技術來執(zhí)行關鍵功能。要想提高現(xiàn)有的目標檢測和識別能力，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(onsemi)先進的CMOS圖像傳感器技術正是推動這一領域不斷創(chuàng)新的關鍵，這些技術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，利用領先的CMOS圖像傳感器技術的企業(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，深入了解和應用這一技術已經(jīng)成為了企業(yè)推進視覺產(chǎn)品創(chuàng)新的必要手段。

安森美最新推出的AR0822是一顆集eHDR、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：

1什么是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.

2為什么需要HDR?

• 自然界的光線強度從0.0001cd/m²弱星光到超過100Kcd/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。
• 當今相機的應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技術方向。

• 我們來看看目前主流的幾種實現(xiàn)HDR的技術：

• 多次曝光

• 大小像素

• 超級曝光

多次曝光

多次曝光技術，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)像素設計的情況下，通過多次曝光技術就可以達到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、交通標志和汽車尾燈。

大小像素

這類設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，這種設計避免了運動偽影問題。然而這種技術存在大像素QE損失，以及由于大小像素QE不同、串擾等影響產(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)。大小像素技術是利用大像素和小像素感應光線的比例來實現(xiàn)HDR，目前半導體制作技術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:大小像素技術是安森美的專利，在2009年由美光公司獲得。

超級曝光，即我們在Hyperlux系列采用的技術

通過增加額外的電路，當像素電容飽和時候，溢出的電荷繼續(xù)轉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，那么安森美AR0822是怎么樣的技術呢？為什么說它是eHDR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)。當今應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eHDR(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eHDR外，還具備WOM(Wake on Motion)功能：AR0822可以運行在極低的幀率下，當檢測到畫面ROI區(qū)域中有運動發(fā)生，則去喚醒SOC，恢復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)療診斷等領域，這一技術都將扮演著越來越重要的角色。安森美的AR0822傳感器集eHDR、運動補償、運動喚醒幾大硬核功能于一體，解決工程師在設計視覺系統(tǒng)時所面臨的動態(tài)范圍、運動偽影、LED閃爍、功耗等復雜挑戰(zhàn)，實現(xiàn)更多創(chuàng)新。

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