物联网(IoT)将涉及大量的边缘设备,需要由 FOG 节点将处理后的数据进行聚合,进而发送到云 / 数据中心,然后从云 / 数据中心再发送最终的指令经由 FOG 到边缘设备。未来边缘设备的激增及添加人工智能(AI)进行分析处理的特征,要求尽可能降低功耗和更智能。边缘设备包括智能家居,其中有大量的新兴应用如安防、家电、助手和手势识别等涉及视觉 IoT,直观 / 易用的成像子系统至关重要。 
 
图像传感器领袖安森美半导体在视觉 IoT 领域具有独特的优势,包括广博的图像传感器阵容、领先行业并不断改进的成像技术、丰富的应用专知和现场应用工程团队支援等,满足不同的成像应用需求,推进更智能、更低功耗、新兴的视觉 IoT 应用的关键进展。
 
成像和机器视觉要求
视觉 IoT 涵盖人看到的成像和通过算法处理的机器视觉。例如,安防摄像机呈现出人类看到的成像,视觉助手属于机器视觉,可视门铃则在用户在家时直接提供成像,在用户外出时进行视频录制和比对,由于比对是通过算法进行处理,所以这时就属于机器视觉了。
 
对于传统的成像,特定需求是高的图像保真度。而对于机器视觉,性噪比和采样是重要的因素,要求能准确地捕获移动物体。
 
同时,成像和机器视觉对图像传感器也有一些共同要求:如在不同的光照条件下,有强的环境光和微光同时存在时,需要好的像素性能实现出色的用户体验;通常要求视场宽, 有时需进行鱼眼校正;具性价比。
 
安防是未来视觉 IoT 最大的一个应用领域
对于 IP 摄像机、外部摄像头、可视门铃等安防应用,图像品质、高动态范围(HDR)、微光性能和近红外(NIR)是关键的性能因素。差异化因素包括低功耗和在日光 / 星光下的成像。
 
AR0237 用于入门级安防应用
安森美半导体的 AR0237 是适合这类应用的最具性价比的一款图像传感器,具有 210 万像素,分辨率 1928 x 1088,能实现 1080p/60 fps 输出,提供出色的微光性能和 HDR,支持高动态范围的长短交错曝光,在捕获到长曝光和短曝光的两个图像后,通过图像信号处理器(ISP)合成后,选择两个图像中最佳的曝光像素并最终合成为 1 张令您满意的图像。
 
AR0237 有 RGB 和 RGB-IR 两种版本,其中 RGB-IR 版本增强的 NIR 灵敏度增强夜视能力,使得摄像头无需特别的滤色片进行日 / 夜的切换,同时使用红外差谱技术以避免颜色的失真。
 
超星光级 AR0221:领先的微光灵敏度和信噪比
200 万像素的 AR0221 采用 4.2 um 背照式(BSI)像素技术,提供出色的 3 重曝光行交错式 HDR,分辨率 1936 x 1096,支持 1080p/30 fps 的帧速率,信噪比最高达 41.2 dB,其 16:9 的比例,具有鲜艳的色彩和高对比度。其它特性包括:阵列框选、自动黑电平校准和板载温度传感器、工业级工作温度范围、以 4 通道 MIPI CSI-2 和 HiSPi SLVS 的形式提供双数据接口,采用耐用、可靠且强固的 iBGA 封装。
 
图 1 很好地诠释了 AR0221 为何可称为超星光级的产品:两张图片都摄于无月光、无星光的夜晚,光照都小于 0.01 lux,场景相同且都用相同的镜头,采用 AR0221 拍摄的图像明显比 AR0237 拍摄的图像更清晰,且 AR0221 仅使用了 26 倍增益,而 AR0237 使用了 67 倍增益。
 
图 1:AR0221 与 AR0237 成像对比
 
AR0430:具备同步深度映射功能、低功耗
AR0430 曾获 2018 CES 嵌入式技术类创新奖,分辨率 2316 x 1746,线性满井电荷容量超过 15Ke-,从而提供 HDR,采用 Super Depth 技术实现同步视频和深度映射,能够提供距摄像机一米以内任何物体的 30 fps 视频流和深度图像,实现以手势分析来控制智能 IoT 设备以及建立增强实境(AR)/ 虚拟实境(VR)中简单 3D 模型等功能。
 
AR0430 的低能耗性能使其仅需 125 mW 就能提供 400 万像素、30 fps 输出;在低功耗监测模式下,功耗降至 8 mW。这在电池供电应用中尤为重要。
 
在标准成像模式下,无论是日间还是夜间的光线条件,AR0430 都能呈现高品质的图像。该器件的内置功能使用户能够从单一图像传感器同时获取彩色图像和深度图像,省下原本需要另外一个单独提供深度映射功能的传感器,从而降低成本。主要应用场景如 1080p 120fps 慢动作视频、1080p 变焦、录像和 HDR 成像。
 
AR0431:集成近红外+(NIR+)能力、低功耗
AR0431 是在 AR0430 的基础上增加了增强的 NIR+灵敏度技术。如图 2 所示,创新的工艺使 850 nm 和 940 nm 光的灵敏度加倍,而不影响可见光灵敏度,从而帮助安防和物联网摄像机设计人员创建高灵敏度的夜间模式。增强的 NIR+使 AR0431 即使在最暗的光照条件下也能实现更好的成像。与 AR0430 相比,AR0431 用更少的 NIR LED,可节省成本和功耗,或以较低的速度运行 LED 而省电。若与 AR0430 用相同的 LED,可获得更好的细节,捕获更多的光。
 
图 2:增强的 NIR+提高灵敏度
 
AR0431 基于 2.0 um BSI 像素,提供多种低功耗模式,帧速率最高 120fps,非常适用于要求慢动作视频拍摄的应用。其低功耗优势,令其成为电池供电型安防摄像头、运动相机、车内行车记录仪(DVR )和通用型监控摄像头的理想选择。
 
家电成像应用:AR0330 实现高速图像捕获
在家电领域,常见的成像应用如冰箱、咖啡机和扫地机器人等,关键性能因素包括支持运动的能力和 HDR。由于小型化的需求,需要尽可能采用紧凑的方案,以实现差异化的竞争优势。如安森美半导体的小尺寸全高清 AR0330,光学格式仅 1/3 英寸,有助于实现紧凑的设计,分辨率 2304 x 1296,具有卓越的色彩准确度,微光灵敏度和低噪声水平,可实现高速图像捕获,并包括可调配置(增益、帧速率和曝光),同时保持低功耗。
 
此外,上文提到的用于安防领域的 AR0237 和 AR0430 同样适用于家电成像应用。
 
“助手”是视觉 IoT 中非常有前景的一类应用
如视觉助手、语音音响、服务 / 护理机器人等都属于“助手”类应用,快速对焦、HDR 是这类应用的关键性能因素,深度能力 / 智能是实现差异化的关键。
 
AR1335:通过 PDAF 快速对焦
AR1335 采用相位检测对焦(PDAF)技术,在用于视觉助手类应用时能快速帮助把报纸、杂志、说明书上的图片聚焦然后转换为语音使用户听到。AR1335 支持 4K、30 fps 输出,基于 1.1 um BSI 像素,在 1300 万像素、30 fps 模式下的功耗为 270 mW,其它特性包括:高灵敏度实现极佳的微光性能、高满井电荷容量(LFW)实现 HDR、3D 同步控制支持立体视频捕获等。除了视觉助手,AR1335 还可用于 4K 录像、身体摄像机、无人机、运动摄像机等应用。
 
机器人应用
图像传感器用于如娱乐、扫地机器人、陪伴型机器人等应用的关键性能因素是视觉定位,即对移动物体的成像,以及 HDR。
 
全局快门 AR0144 解决拖影问题
众所周知,采用卷帘快门对移动的物体曝光,图像会产生拖影。全局快门可解决拖影问题。安森美半导体在全局快门传感器市场处于领先的市场地位。
 
AR0144 是安森美半导体的一款可谓是明星级的全局快门图像传感器,已大量用于扫描、无人机、AR/VR、机器视觉、360 度摄像头、深度摄像机等市场,采用 3.0 um 像素,提供领先的全局快门能效,在输出 100 万像素、60 fps 时的功耗低于 250 mW,能在静态和动态场景应用中捕捉准确和快速的影像,尺寸极紧凑。
 
如图 3 所示,采用卷帘快门的 AR0141 所捕获到的转动的风扇内的名片图像已明显变形,而采用全局快门的 AR0144 所捕获的图像没有任何伪影。
 
图 3:AR0141 对比 AR0144
 
与同样采用全局快门的竞争对手相比,AR0144 的全局快门能效(GSE)比竞争对手好 5 倍,满井电荷容量(LFW)好 2 倍。
 
图 4:AR0144 提供同类最佳的 LFW 和 GSE
 
在无人机等动态应用中,AR0144 的低功耗特性能够延长充电时间间隔,其成像性能能更好地映射环境,避免严重碰撞。在 3D 摄像机和 AR/VR 设计中,AR0144 可提供一种具性价比及小尺寸的方案,用于捕获双重图像进行 3D 成图或深度感知。
 
此外,安森美半导体还提供 AR0134 和 AR0135 两款全局快门传感器,采用 iBGA 封装,用于对可靠性要求更严格的应用。三款全局快门传感器的关键规格如下表所示。
 
表 1:安森美半导体的全局快门传感器
 
结语
物联网边缘设备未来会趋于更智能和尽可能降低功耗。其涵盖的智能家居市场中大量的新兴应用将产生对成像子系统的需求,设计挑战包括不受控制的光照环境和要求尽可能最低的功耗。通过把传感器与系统单芯片(SoC)、镜头、模块和算法结合在一起形成强大的生态系统以易于开发将至关重要。安森美半导体的优势不仅在于拥有领先的图像传感器技术解决光照条件、功耗等多方面的挑战,提供差异化方案和推进未来的趋势,并具备广博的阵容满足不同的需求,还提供开发套件并结合行业伙伴的方案,帮助简化设计和降低成本。