來源：Teledyne Imaging，謝謝

編輯：感知芯視界 Link

新的成像應用正在蓬勃發展，從工業4.0中的協作機器人，到無人機 消防或用于農業，再到生物特征面部識別，以及家庭中的護理點手 持醫療設備。這些新應用場景出現的一個關鍵因素是，嵌入式視覺 比以往任何時候都更普及。嵌入式視覺不是一個新概念；它只是定 義了一個系統，其中包括一個視覺設置，該設置在沒有外部計算機 的情況下控制和處理數據。它已廣泛應用于工業質量控制，為人熟悉的例子比如“智能相機”。

近年源于消費類市場經濟適用硬件器件的開發，相較于以往使用電 腦的方案，這些器件大幅度減小了材料清單(BOM)成本和產品體 積。舉個例子，小型系統集成商或OEM現在能夠小批量采購諸如 NVIDIA Jetson的單板機或模塊系統；而較大型的OEM則可以直接 獲得如高通驍龍(Qualcomm Snapdragon)的圖像信號處理器。在軟件級方面，市面軟件庫能夠加快專用視覺系統的開發速度，減 小配置難度，即便是針對小批量生產。

第二個推動嵌入式視覺系統發展的變化是機器學習的出現，它使實 驗室中的神經網絡能夠接受培訓，然后直接上傳到處理器中，以便 它能夠自動識別特征，并實時做出決定。

能夠提供適用于嵌入式視覺系統的解決方案，對于面向這些高增 長應用的成像企業來說至關重要。圖像傳感器由于能夠直接影響嵌 入式視覺系統的效能和設計，因而在大規模引進中有重要角色，而 它的主要推動因素可概括為：更小尺寸、重量、功耗和成本，英語簡 稱為“SWaP-C”(decreasing Size, Weight, Power and Cost).

01、降低成本至關重要

嵌入式視覺新應用的加速推動器是滿足市場需求的價格，而視覺系 統成本正是實現這要求的一個主要制肘。

節省光學成本

減小視覺模塊成本的第一個途徑是縮小產品尺寸， 原因有兩個：首先是圖像傳感器的像素尺寸愈小，晶圓便可以制造更多的芯片；另一方面傳感器可以使用更小更低成本的光學組件，二者都能夠降 低固有成本。例如Teledyne e2v的 Emerald 5M傳感器把像素尺寸減小至2.8 μm，讓S口(M12) 鏡頭能夠用于五百萬像素全局快門傳感器上，帶來直接的成本節省──入門級的M12鏡頭的價格約 為10美元，而較大尺寸的C口或F口鏡頭成本是其10到20倍。所以減小尺寸是降低嵌入式視覺系統成本的有效方法。

對于圖像傳感器制造商來說，這種降低的光學成本對設計有另一個 影響，因為一般來說，光學成本越低，傳感器的入射角越不理想。因此，低成本光學需要在像素上方設計特定的位移微透鏡，這樣它就 可以補償扭曲，并聚焦來自廣角的光線。

高成本效益的傳感器接口

除了光學優化，傳感器接口的選擇也間接影響視覺系統的成本。MIPI CSI-2接口是實現節約成本的合適選擇（它最初是由MIPI聯盟為移動行業開發的）。它已被大多數ISP廣泛采用，并已開始在工業市場采用，因為它提供了一個從NXP、NVIDIA、高通公 司、Rockchip、Intel以及其他公司的低成本的片上系統（SOC）或 模塊上系統（SOM）的輕便集成。設計一種具有MIPI CSI-2傳感 器接口的CMOS圖像傳感器，無需任何轉接橋，直接將圖像傳感器 的數據傳輸到嵌入式系統的主機SOC或SOM，從而節省了成本和 PCB空間，當然，在基于多傳感器的嵌入式系統（如360度全景系統）中，這一優勢更為突出。

不過這些好處受到一些限制。目前在機器視覺行業中廣泛使用的MIPI CSI-2 D-PHY標準依賴于高成本效益的扁平排線，其缺點是連接距離限制為20厘米，這在傳感器離主處理器較遠的遠程云臺設置中可能不是最佳選擇，在交通監控或環視應用中經常是這樣的。延長連接距離的解決方案之一，是在MIPI傳感器板和主機處理器之間放置額外的中繼器板，但這是以犧牲小型化為代價的。還有其他解決方案，不是來自移動行業，而是來自汽車行業：即所謂的FPD-Link III和MIPI CSI-2 A-PHY標準支持同軸或差分對線，允許連接距離達15米。

降低開發成本

在投資新產品時，不斷上升的開發成本往往是一個挑戰；它可能會在一次性投入成本(NRE)上花費數百萬美元，并給上市時間帶來壓力。對于嵌入式視覺，這種壓力變得更大，因為模塊化（即產品能 否切換使用多種圖像傳感器）是集成商的重要考慮。幸運的是，一次性開發成本是可以控制的，具體方法是在傳感器之間提供一定程度的交叉兼容性，例如，通過定義合并/共享相同的像素結構以獲得穩定的光電性能，通過相同的光學中心來共享單個前端結構，以及兼容的PCB組件 (方法是尺寸兼容或針腳兼容)，從而加快評估、集成和供應鏈，如圖1所示。

如今，隨著所謂的模塊和板級解決方案的廣泛發布，嵌入式視覺系 統的開發速度更快，價格也更實惠。這些一站式產品通常包括一個 可隨時集成的傳感器板，它有時還包括一個預處理芯片、一個機械正面和/或一個鏡頭接口。這些解決方案通過高度優化的尺寸和標 準化的連接器為應用帶來好處，使其能夠直接連接到現成的處理板，如NVIDIA Jetson或NXP i.MX ones，而不需要設計或制造中間的轉接板。

通過消除PCB設計和制造的需要，這些模塊或板級 解決方案不僅簡化并加快了硬件開發，而且還大大縮短了軟件開發時間，因為它們大部分時間都是與Video4Linux驅動程序一起提供的。因此，原始設備制造商和視覺系統制造商可以跳過使圖像傳感 器與主處理器通信的數周開發時間，從而專注于其與眾不同的軟件 和整體系統設計。光學模組，如Teledyne e2v提供的模組，通過將 鏡頭集成在模組內，提供從光學到驅動器直至傳感器板的完整封 裝，并省去與鏡頭組裝和測試相關的任務，進一步推動了一站式方 案方面的發展。

02、提高自主性能效

由于外接計算機妨礙了便攜式應用，由微型電池供電的設備是受益于嵌入式視覺的明顯的應用實例。為了降低系統的能耗，圖像傳感 器現在包含了多種功能，使系統設計者能夠節省能耗。

從傳感器的角度來看，有多種方法可以在不降低采集幀率的情況下 降低視覺系統的功耗。最簡單的方法是通過盡可能長時間使用待機 或閑置模式，在系統層面最小化傳感器本身的動態操作，從而降低 傳感器本身的功耗。待機模式通過關閉仿真電路，把傳感器的功耗 降低到工作模式的10%以下。而閑置模式則可把功耗減半，并且能 夠讓傳感器在數微秒內重新啟動獲取圖像。

另一個節能方法是采用更先進的光刻節點技術來設計傳感器。技術 節點越小，切換晶體管所需的電壓越低，這就降低了動態功耗，因 為功耗與電壓平方成正比：P_dynamic∝C×V2。所以十年前使用180 nm技術生產的像素不單把晶體管縮小到110 nm，同時也把數字電 路的電壓從1.8V降到1.2V。下一世代的傳感器將使用65nm技術節 點，使得嵌入式視覺應用更節能。

最后一點是，通過選擇合適的圖像傳感器，可以在某些條件下降低 LED燈的能耗。有一些系統必須使用主動照明，例如三維地圖的生 成、動作停頓、或是單純使用順序脈沖指定波長來提高反差。在這 些情形下，減低圖像傳感器在低亮度環境下的噪聲便能實現更低的 功耗。減小了傳感器噪聲，工程人員便可確定減小電流強度，還是 減小集成進嵌入式視覺系統的LED燈數目。在其他情況下，當圖像 捕獲和LED閃爍由外部事件觸發時，選擇適當的傳感器讀出結構可 以顯著節省電能。當使用傳統卷簾快門傳感器時，幀全曝光時LED燈必需全開，而全局快門傳感器則允許只在幀的某部份開動LED 燈。所以在使用像素內相關雙采樣(CDS)時，以全局快門傳感器替 代卷簾快門傳感器就可以節省照明成本，同時仍保持與顯微鏡中 使用的CCD傳感器一樣低的噪聲。

03、片上功能為視覺系統的程序設計鋪平了道路

嵌入式視覺的一些拓展概念，引導我們對圖像傳感器進行全面定 制，以3D堆疊的方式集成所有處理功能（芯片上的系統）以實現優 化性能和功耗。不過，開發這一類產品的成本十分高昂，能夠達到 這一集成水平的全定制傳感器從長遠來說并非完全不可能，而現在 我們正處于一個過渡階段，包含將某些功能直接嵌入到傳感器，以 降低計算負載和加快處理時間。

例如在條形碼閱讀應用，Teledyne e2v公司已擁有專利技術，將包 含一個專有條形碼識別算法的嵌入式功能加進傳感器芯片，這算 法可以找出每一幀幅內的條形碼位置，讓圖像信號處理器只需聚 焦于這些范圍，提高數據處理效率

另一個減少處理負載和優化“良好”數據的功能是Teledyne e2v 的專利快速曝光模式，該模式使傳感器能夠自動校正曝光時間，以避免照明條件變化時出現飽和。這項功能優化了處理時間，因為它適應了單幀中光照的波動，而且這種快速反應最大限度地減少了處理器需要處理的“壞”圖像的數量。

這些功能通常是特定的，需要很好地理解客戶的應用程序。只要對應用程序有足夠的了解，就可以設計多種其他片上功能來優化嵌入 式視覺系統。

04、減小重量和尺寸以減少應用空間

嵌入式視覺系統的另一主要要求是能夠配合狹小空間，或是重量 要小，以便于手持式設備延長產品的工作時間。這 就是現在大部份嵌入式視覺系統使用只有1MP到5MP的低分辨率小靶面傳感器的原因。

減小像素芯片的尺寸只是減小圖像傳感器封裝尺寸和重量的第一步。現在的65 nm工藝讓我們能夠把全局快門像素尺寸減小至2.5μm而不損光電性能。這種生產工藝使得諸如全高清全局快門CMOS 圖像傳感器能夠配合移動端市場要求小于1/3英寸的規格。

減小傳感器重量和占位面積的另一主要技術是縮小封裝尺寸。晶圓級封裝在過去數年在市場迅速成長，在移動設備、汽車和醫療應用中特 別明顯。相較用工業市場常用的傳統陶瓷 (CLGA) 封裝，晶圓級扇出封裝和芯片級封裝能夠實現更高密度連接，因而是嵌入式系統 圖像傳感器輕量化小型化的出色解決方案。就Teledyne e2v 的200萬像素傳感器而言，晶圓級封裝與較小的像素尺寸相結合，僅在五年內就能縮小至四分之一。

展望未來，我們預期新的技術能進一步實現

嵌入式視覺系統所需的更小傳感器尺寸

三維堆棧是讓半導體器件生產的創新技術，它的原理是在不同晶圓 上制造各種電路芯片，然后利用銅對銅連接和過硅穿孔(Through Silicon Vias，簡稱TSV)技術進行堆棧和互聯。三維堆棧因為是多 層重迭芯片，允許器件實現比傳統傳感器更小的封裝尺寸。在三維 堆疊圖像傳感器中，讀出和處理模塊可以移動到像素陣列和行解碼器 的下方。這樣，傳感器的占位尺寸因縮小的讀出和處理模塊而減小，并且可以在傳感器中加入更多處理資源以減小圖像信號處理器的 載荷。

不過，要讓三維堆棧技術在圖像傳感器市場獲得廣泛應用，現在還 面對著一些挑戰。首先這是一個新興的技術，其次是它的成本較高，因為需要附加的工藝步驟，使得芯片成本比使用傳統技術的芯片高三倍以上。因此三維堆疊將主要是高性能或非常小封裝尺寸的 嵌入式視覺系統的選擇。

總結而言，嵌入式視覺系統可以歸納為一種“輕量”視覺技術，可以用于包括OEM、系統集成商和標準相機廠商等不同類型企業。“嵌入式 “是一個可用于不同應用的概括性描述，因而不能開 出列表說明它的特征。不過優化嵌入式視覺系統有幾個適用法則，就是一般而言，市場推動力并非來自超級快的速度或超高的靈敏 度，而是尺寸、重量、功耗和成本。圖像傳感器是這些條件的主要推手，所以需要小心選擇合適的圖像傳感器，以便于優化嵌入式視覺系統的總體性能。

合適的圖像傳感器能為嵌入式設計人員帶來更多靈活性，不僅節省材料清單成本，還可減小照明和光學組件的占位面積。但比圖像傳感器更重要的是，成像模塊形式的拿到即可快速應用的板級解決方案的出現，為進一步優化尺寸、重量、功耗和成本鋪平了道路，并通過來自消費市場的成本可接受的經過深度學習優化的圖像信號處理器，大幅降低開發成本和時間，而不增加額外的復雜性。

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審核編輯 黃宇