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

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，視覺(jué)產(chǎn)品的需求與日俱增，在自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR)、倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、農(nóng)業(yè)、工廠檢查和安防/監(jiān)控等應(yīng)用場(chǎng)景，會(huì)實(shí)施基于機(jī)器視覺(jué)的人工智能 (AI) 與先進(jìn)技術(shù)來(lái)執(zhí)行關(guān)鍵功能。要想提高現(xiàn)有的目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別能力，需要解決在不利光照條件下，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的對(duì)象和更遠(yuǎn)距離的精細(xì)細(xì)節(jié)捕獲圖像的難題。而安森美(onsemi)先進(jìn)的CMOS圖像傳感器技術(shù)正是推動(dòng)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(guò)更加智能的傳感器片上多幀合成以及壓縮技術(shù)來(lái)獲得低系統(tǒng)帶寬需求的高動(dòng)態(tài)范圍影像，還實(shí)現(xiàn)了HDR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、LED閃爍抑制、運(yùn)動(dòng)喚醒等功能。在這樣一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)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(chǎng)需求，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)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(jìn)視覺(jué)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(Motion Compensation)、運(yùn)動(dòng)喚醒(Wake on Motion)幾大硬核功能于一體的八百萬(wàn)像素的4K圖像傳感器芯片。下面讓我們來(lái)了解一下這些專(zhuān)業(yè)名詞吧：

1什么是HDR?HDR = High Dynamic Range，高動(dòng)態(tài)范圍，也有叫WDR（Wide Dynamic Range）的，其實(shí)是不同廠家不同的叫法，實(shí)際上都是一樣的。

動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算公式：

Smax:最大可測(cè)量到的信號(hào)，即像素飽和信號(hào)值,也就是像素的滿井電荷；

Smin:最小可偵測(cè)到的信號(hào)，即SNR=1時(shí)的信號(hào)值，也就是全黑場(chǎng)景下的讀出噪聲；也就是

多次曝光是如何來(lái)提升動(dòng)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(qiáng)度從0.0001cd/m²弱星光到超過(guò)100Kcd/m²的夏季太陽(yáng)直射光，整個(gè)亮度的動(dòng)態(tài)范圍約180dB。人眼能分辨出來(lái)的最大動(dòng)態(tài)范圍約120dB。
• 當(dāng)今相機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景存在不少動(dòng)態(tài)范圍的挑戰(zhàn)：

• 怎么樣才能更好的處理高亮度場(chǎng)景呢？

這三個(gè)維度基本上就代表了目前主流的HDR技術(shù)方向。

• 我們來(lái)看看目前主流的幾種實(shí)現(xiàn)HDR的技術(shù)：

• 多次曝光

• 大小像素

• 超級(jí)曝光

多次曝光

多次曝光技術(shù)，通過(guò)長(zhǎng)曝光來(lái)捕捉低亮度處的細(xì)節(jié)，通過(guò)中、短曝光來(lái)捕捉中高亮度處的圖像。在常規(guī)像素設(shè)計(jì)的情況下，通過(guò)多次曝光技術(shù)就可以達(dá)到120dB（3次曝光）甚至140dB（4次曝光）的動(dòng)態(tài)范圍。然而一般的多次曝光技術(shù)存在不足：對(duì)于運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)有運(yùn)動(dòng)偽色影，特別是對(duì)于LED光源，有時(shí)它能被短曝光時(shí)間捕捉到，有時(shí)候則不能，那就導(dǎo)致了LED閃爍不清的問(wèn)題。典型的脈沖光源是LED交通燈、交通標(biāo)志和汽車(chē)尾燈。

大小像素

這類(lèi)設(shè)計(jì)的芯片上同時(shí)存在大像素和小像素，大像素來(lái)捕捉低光信息，小像素來(lái)捕捉高光信息。由于大小像素是同時(shí)曝光的，這種設(shè)計(jì)避免了運(yùn)動(dòng)偽影問(wèn)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(wèn)題，需要使用者花費(fèi)大量的資源和成本來(lái)進(jìn)行校正，給用戶帶來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)HDR，目前半導(dǎo)體制作技術(shù)能力不允許任意的擴(kuò)大或者縮小像素物理尺寸，所以大小像素技術(shù)能達(dá)到動(dòng)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(zhuān)利，在2009年由美光公司獲得。

超級(jí)曝光，即我們?cè)贖yperlux系列采用的技術(shù)

通過(guò)增加額外的電路，當(dāng)像素電容飽和時(shí)候，溢出的電荷繼續(xù)轉(zhuǎn)移到外掛的電容存儲(chǔ)中去，從而實(shí)現(xiàn)了超大的滿井電荷，動(dòng)態(tài)范圍能達(dá)到單次曝光110dB，多次曝光能達(dá)到150dB。這種方式在110dB下沒(méi)有LED 閃爍問(wèn)題和運(yùn)動(dòng)偽影問(wèn)題，同時(shí)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(shuō)它是eHDR呢？通常多次曝光的sensor會(huì)發(fā)送每一次曝光的數(shù)據(jù)給到后端處理器來(lái)進(jìn)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(duì)圖像傳感器的分辨率要求越來(lái)越高，4K 800萬(wàn)能提供更多的細(xì)節(jié)，可是，3張800萬(wàn)像素的圖片的數(shù)據(jù)量多大呢？如果是多相機(jī)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(guò)10Gbps，這對(duì)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(jìn)行完成的，通過(guò)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(tái)，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(shí)的亮度臨界區(qū)域的噪聲。還記得我們前面說(shuō)的多次曝光HDR的一個(gè)不足嗎？對(duì)，就是運(yùn)動(dòng)偽影以及LED 閃爍，AR0822 片上HDR合成還加入了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（Motion compensation）功能來(lái)減輕這些問(wèn)題：

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償包含運(yùn)動(dòng)捕捉和運(yùn)動(dòng)糾正兩個(gè)模塊，運(yùn)動(dòng)捕捉模塊來(lái)捕捉T1和T2之間的運(yùn)動(dòng)值（對(duì)每一個(gè)pixel進(jìn)行motion mask的計(jì)算）,運(yùn)動(dòng)糾正模塊使用motion mask來(lái)對(duì)T1數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

例圖：上路實(shí)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(yùn)行在極低的幀率下，當(dāng)檢測(cè)到畫(huà)面ROI區(qū)域中有運(yùn)動(dòng)發(fā)生，則去喚醒SOC，恢復(fù)sensor運(yùn)行到正常模式。

而其杰出的motion detect ROI 則進(jìn)一步降低功耗：我們對(duì)畫(huà)面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉block 分區(qū)，只關(guān)注開(kāi)啟區(qū)域的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，像典型的可視門(mén)鈴，上圖中場(chǎng)景內(nèi)存在樹(shù)木花草，一旦有什么“風(fēng)吹草動(dòng)”或者小動(dòng)物經(jīng)過(guò)，很可能系統(tǒng)就開(kāi)啟誤報(bào)，而可編程的運(yùn)動(dòng)捕捉區(qū)域，可以很好的降低這種誤報(bào)。配合PIR，通過(guò)sensor自帶的運(yùn)動(dòng)捕捉和超級(jí)低功耗模式，可以讓整機(jī)系統(tǒng)電池使用時(shí)間延長(zhǎng)50倍。

先進(jìn)的CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，將不斷推動(dòng)視覺(jué)產(chǎn)品的創(chuàng)新和進(jìn)步。無(wú)論是在工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)安全、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，這一技術(shù)都將扮演著越來(lái)越重要的角色。安森美的AR0822傳感器集eHDR、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)喚醒幾大硬核功能于一體，解決工程師在設(shè)計(jì)視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)所面臨的動(dòng)態(tài)范圍、運(yùn)動(dòng)偽影、LED閃爍、功耗等復(fù)雜挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)新。

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