【導(dǎo)讀】要成功設(shè)計和開發(fā)需要圖像傳感器的設(shè)備，了解選擇標準的復(fù)雜性和細微差別至關(guān)重要。設(shè)計人員需要從眾多參數(shù)中進行選擇，例如分辨率、像素大小、像素類型、幀率、快門類型、光學格式、功能特性等。選擇標準分為三大類：成像性能、產(chǎn)品/系統(tǒng)參數(shù)、工具和其他標準，第一篇文章介紹了成像性能，本文將繼續(xù)介紹產(chǎn)品/系統(tǒng)參數(shù)、工具和其他標準。
要成功設(shè)計和開發(fā)需要圖像傳感器的設(shè)備，了解選擇標準的復(fù)雜性和細微差別至關(guān)重要。設(shè)計人員需要從眾多參數(shù)中進行選擇，例如分辨率、像素大小、像素類型、幀率、快門類型、光學格式、功能特性等。選擇標準分為三大類：成像性能、產(chǎn)品/系統(tǒng)參數(shù)、工具和其他標準，第一篇文章介紹了成像性能，本文將繼續(xù)介紹產(chǎn)品/系統(tǒng)參數(shù)、工具和其他標準。
產(chǎn)品/系統(tǒng)參數(shù)
決策過程中的另一個重要因素是傳感器本身的功能。這些功能不一定與成像功能有關(guān)，而是更多地體現(xiàn)在系統(tǒng)層面，可增強整體功能并有利于應(yīng)用。
運動檢測
圖像傳感器不斷檢測光線及其變化，因此能夠在基礎(chǔ)層面上檢測運動，這對許多應(yīng)用非常有用。通常這一功能由處理器完成，但在傳感器上也能高效實現(xiàn)。雖然運動檢測不能識別或分類物體，但只需檢測運動的存在即可在特定場景中發(fā)揮作用。通過傳感器采用合適的架構(gòu)，在檢測到運動之前可以保持低功耗模式，從而節(jié)省功耗并優(yōu)化電池壽命。此外，它還能提供更可靠的檢測并減少誤報。
舉例來說，門鈴攝像頭可以檢測運動，在有人敲門時開始錄像，并可通過手機應(yīng)用程序或鈴聲提醒房主。另一種情況是汽車（例如特斯拉）內(nèi)置運動傳感器，可以檢測附近的物體，并在發(fā)生非法闖入時自動錄制畫面。這些只是傳感器內(nèi)置功能如何優(yōu)化系統(tǒng)性能的一些簡單示例。
圖 1. 無運動情況下的超低功耗電池驅(qū)動攝像頭
圖1展示了安森美（onsemi）的微型Hyperlux LP 4K圖像傳感器AR0830。該傳感器內(nèi)置了運動檢測和超低功耗（ULP）模式。圖1中屏幕上的方框標記表示，傳感器可以編程為僅檢測用戶和/或系統(tǒng)指定的運動，并可以屏蔽掉與不需要監(jiān)控區(qū)域相對應(yīng)的方框。這一內(nèi)置功能無需單獨的處理器來執(zhí)行運動檢測。
圖 2. 檢測到運動情況下的超低功耗電池驅(qū)動攝像頭
在低功耗模式下，安森美的圖像傳感器使用VGA分辨率（這是一個示例，但具有高度可配置性）和每秒1幀的幀率，這足以在不消耗太多功耗的情況下捕捉感興趣區(qū)域的運動。一旦傳感器檢測到預(yù)定義感興趣區(qū)域內(nèi)的任何運動，它會自動切換到圖2所示的全4K分辨率，并以每秒30幀的幀率進行錄制。這一功能降低了系統(tǒng)功耗，并可將電池壽命延長多達50倍。
另一個重要的系統(tǒng)參數(shù)是傳感器的功耗設(shè)計，它可以根據(jù)分辨率和幀率等因素提高或降低傳感器的整體性能。例如，手機攝像頭中的圖像傳感器通常處于關(guān)閉狀態(tài)，攝像頭本身處于待機模式，直到需要拍攝照片或視頻時才會啟動。在這種情況下，低功耗模式的需求并不那么迫切。
相比之下，監(jiān)控攝像頭會一直處于開啟狀態(tài)，因此在未偵測到運動時應(yīng)采用低功耗模式。在不需要時關(guān)閉傳感器的某些元件和功能，僅在檢測到信號時再將其開啟，可以有效降低功耗。
試想一下，視頻會議的畫面中會出現(xiàn)多個人。除了對會議中的每個人進行固定對焦外，攝像頭還可以配備智能興趣區(qū)域功能，識別主要發(fā)言人并自動對焦。如果在 SoC（Sytem-on-Chip，系統(tǒng)芯片）處理器上實現(xiàn)這一功能，可能需要大量的處理能力、內(nèi)存和時間。而傳感器可以輕松集成這一功能，并輸出由SoC定義的圖像。
圖 3. 集成靈活、實時智能興趣區(qū)域的傳感器
安森美的 Hyperlux LP 圖像傳感器系列中， AR2020 提供了這一功能。如圖 3 所示，這款 2000 萬像素的傳感器能夠識別并聚焦于正在說話的人。它配備了縮放和裁剪功能，可以實時縮放和裁剪畫面，生成 VGA 分辨率的圖像。這些功能還支持用戶自定義，可以根據(jù)具體應(yīng)用的需求進行定制。總體而言，這一功能不僅提升了處理速度，還將處理功耗降低了多達 15 倍。
這一功能的優(yōu)勢在于，SoC 無需實時處理 2000 萬像素的數(shù)據(jù)并占用大量內(nèi)存，從而節(jié)省了處理時間和功耗。如果將這一功能集成到傳感器中，可以顯著提升系統(tǒng)性能，而且無需外部處理器。
圖像傳感器廠商必須了解具體應(yīng)用、客戶的需求和痛點，才能設(shè)計出具有適當功能的傳感器。因此安森美最近推出了四個具有不同功能的新圖像傳感器系列，以滿足各種成像應(yīng)用的需要。
Hyperlux LP：該系列傳感器功能豐富，具有低功耗模式，是門鈴攝像頭、家庭安防、電池供電攝像頭、機器人、視頻會議等用途的理想之選。
Hyperlux LH：這些傳感器具有 120 dB的超高動態(tài)范圍和卓越的弱光性能，適用于室內(nèi)/室外安防攝像頭、機器人和光照條件苛刻的應(yīng)用。
Hyperlux：這些傳感器具有最高 150 dB 的動態(tài)范圍和 LED 閃爍抑制技術(shù)，非常適合專業(yè)安防、汽車及其他應(yīng)用場景。
Hyperlux SG：這些基于全局快門的傳感器具有卓越的快門效率、板載自動曝光和可編程興趣區(qū)域（ROI） ，適用于掃描、生物識別和類似用途。
沒有任何一款傳感器能夠完美適用于所有應(yīng)用場景，因此安森美開發(fā)了一系列具備不同功能的傳感器，以滿足多樣化的需求。這四個系列的圖像傳感器共包含 11 款產(chǎn)品，每款都具有獨特的功能和特性，能夠滿足廣泛的應(yīng)用需求。
無論是用于人類視覺還是機器視覺與機器學習，無論是工業(yè)還是商業(yè)領(lǐng)域，安森美的全新系列圖像傳感器都能為各種應(yīng)用場景提供最佳解決方案。
在許多依賴傳感器檢測和對外部刺激做出反應(yīng)的成像應(yīng)用中，功能安全至關(guān)重要。在汽車、工業(yè)自動化和醫(yī)療設(shè)備等關(guān)系到生命和健康的應(yīng)用中，這一特性尤為重要。在傳感器設(shè)計中加入冗余和故障檢測功能有助于提高系統(tǒng)可靠性，降低故障風險。
功能安全系統(tǒng)必須遵守嚴格的標準，如用于汽車應(yīng)用的 ISO 26262 或用于機器人和工業(yè)應(yīng)用的 IEC 61508。這些標準規(guī)定了開發(fā)安全系統(tǒng)的要求和準則，并確保系統(tǒng)在設(shè)計、生產(chǎn)、運行、維護和停運過程中的可靠性。
圖像傳感器在許多應(yīng)用中至關(guān)重要，因此其可靠性極為重要。傳感器的使用壽命必須與其所安裝的設(shè)備或產(chǎn)品一樣長甚至更長。設(shè)備的工作周期也會影響傳感器的可靠性和性能。
例如，手機攝像頭每天可能只使用幾分鐘，而安防攝像頭可以全天候運行。傳感器的工作條件及其暴露于外部環(huán)境因素（如溫度、濕度、灰塵和振動）的程度也會影響其可靠性。
有遠見的傳感器廠商應(yīng)與其他生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴（如處理器供應(yīng)商）緊密合作，以優(yōu)化傳感器的性能和與不同系統(tǒng)的兼容性。這些合作對于開發(fā)滿足客戶需求并為其應(yīng)用帶來價值的完整解決方案至關(guān)重要。傳感器可能具有最佳功能，但如果與處理器（通常是 SoC / FPGA）不兼容，則可能無法達到預(yù)期效果或滿足應(yīng)用要求。
傳感器廠商與 SoC / FPGA 廠商之間的早期協(xié)調(diào)可以有效應(yīng)對圖像傳感器開發(fā)中更具挑戰(zhàn)性的驅(qū)動程序和調(diào)校問題。
光學器件是影響圖像傳感器性能的另一個關(guān)鍵因素。與鏡頭制造商合作有助于優(yōu)化傳感器的性能，確保其滿足特定的應(yīng)用要求。有了合適的生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴，傳感器廠商就能為客戶提供完整的解決方案，最大限度地提高傳感器的性能和效率。
在設(shè)計產(chǎn)品時，需要考慮可用性和供應(yīng)鏈因素。產(chǎn)品的生命周期從幾個月到幾年不等，而傳感器需要在整個生命周期內(nèi)可用。供應(yīng)鏈也必須靈活可靠，以確保在需求波動和經(jīng)濟條件變化的情況下仍能持續(xù)供應(yīng)傳感器以滿足生產(chǎn)需求。安森美非常重視工業(yè)和汽車領(lǐng)域的客戶，并確保產(chǎn)品的使用壽命，以滿足應(yīng)用生命周期和可用性要求。
適當?shù)闹С帧⑽臋n和開發(fā)工具對產(chǎn)品的成功至關(guān)重要。傳感器廠商如果能提供出色的客戶支持和全面的文檔資料，就能幫助設(shè)計人員省時省力地了解傳感器的特性和功能。評估板和軟件開發(fā)工具包 (SDK) 等開發(fā)工具也有助于快速評估傳感器的性能并將其集成到產(chǎn)品設(shè)計中。安森美還開發(fā)了一個名為高級圖像傳感器模塊參考設(shè)計 （Premier Reference Image Sensor Module，PRISM）的專用系統(tǒng)，以加速設(shè)計階段。
可擴展性是選擇圖像傳感器時需要考慮的另一個重要方面。隨著產(chǎn)品的發(fā)展和需求的變化，擁有不同分辨率、功能、結(jié)構(gòu)和性能的傳感器系列可以靈活地適應(yīng)新的要求，而無需重新設(shè)計整個系統(tǒng)或?qū)W習全新的傳感器。這種方法還可以節(jié)省成本和時間，因為每次產(chǎn)品升級需要新傳感器時，都無需從頭開始。
在快速發(fā)展的圖像傳感器領(lǐng)域，理解技術(shù)能力與實際應(yīng)用之間的微妙平衡對于創(chuàng)新和成功至關(guān)重要。圖像傳感器技術(shù)的進步為各行各業(yè)帶來了無限的可能性，從汽車到安防、醫(yī)療健康、制造等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。
在設(shè)計產(chǎn)品或系統(tǒng)時，必須考慮適當?shù)倪x擇標準和因素，以最大限度地提高傳感器的性能、效率、可靠性以及與其他元器件的兼容性。圖像性能、產(chǎn)品或系統(tǒng)參數(shù)以及其他因素，如功能安全、可靠性、生態(tài)系統(tǒng)合作關(guān)系、可用性和供應(yīng)鏈、支持和文檔、可擴展性和系列化方法等，都是有助于開發(fā)有效、高效和面向未來的成像解決方案的關(guān)鍵要素。通過優(yōu)先考慮這些因素，像安森美這樣的傳感器廠商可以為客戶不斷變化的多樣化需求提供最佳解決方案。
隨著技術(shù)的不斷進步和新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，圖像傳感器在塑造我們的世界和推動創(chuàng)新方面仍將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。因此，無論您是在設(shè)計安防攝像頭還是在開發(fā)自動駕駛汽車，圖像傳感器的選擇標準仍將是取得成功和創(chuàng)造安全、高效、可靠產(chǎn)品的關(guān)鍵。
文章來源：安森美
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