使用安森美图像传感器优化视觉系统设计

现代图像传感器在工厂自动化、视频会议、监控、智能门铃和增强现实等众多应用中实现了越来越多的强大视觉系统功能。摩尔定律及其推论推动了更节省空间、性能更好的 CMOS 图像传感器和处理器的发展。现在，系统架构师和设计人员可以"少花钱多办事"，在相同或更小的尺寸、重量和预算限制下实现更强的功能和性能。

功耗问题

由于图像传感器对功耗的要求越来越高，设计人员一直在为如何设计视觉系统而不断努力。例如，监控应用中的功率预算非常有限。功耗大的图像传感器和提供辅助照明的多个 LED 大大增加了系统的功率需求和电源管理负担。在机器视觉相机中，更快的帧频和更高的分辨率会增加功耗，迫使设计人员规划额外的功率匹配。

在门禁控制应用中，需要使用更大的电池来维持更长的充电周期。这些因素不仅增加了系统的成本，还显著改变了系统架构，包括期望的外形和系统尺寸。在许多情况下，这导致视觉系统设计人员需要大幅缩减设计，从而导致最终产品差异化不大。

在此必须认识到，在视觉系统中，图像传感器是唯一的数据生成器，它决定了整个系统的运行。它要求处理器处理输入的数据，使处理引擎能够处理这些输入。

如果缺乏目的性或输入质量不佳，则会浪费或增加本可以避免的功耗。更高的分辨率和更快的帧频会产生更多的数据，这带来了额外的问题，在输出端需要有足够的能力对这些输入进行处理。处理引擎（ISP 或 SoC）现在需要预留专用资源，并辅以外部存储器来保存输入的图像数据。无论哪种情况，都会增加视觉系统的整体功耗、外形尺寸和成本。

在许多情况下，上述问题会导致视觉系统设计人员不得不大幅简化他们的设计，从而导致最终产品差异不大。这些障碍迫使人们对图像传感器的功能进行更仔细的审查，并寻找能够帮助降低视觉系统功耗，同时又不影响图像质量和运行速度的智能图像传感器。

影响因素

仅在需要时唤醒传感器

大多数应用不需要一直处于全功能状态（全分辨率、最大帧率），因为场景不会经常变化，或者变化对应用场景来说并不重要。在可视门铃、监控摄像头、（视频）门禁系统等例子中就可以清楚地看到这一点。以较低状态（低分辨率、低帧率）运行视觉系统并节省功耗是非常有益的。主要在低状态下运行可以延长电池供电系统的使用寿命，并减少所需的电池容量（mAh），从而最大限度地降低系统成本。

图 1. 运动唤醒 (WOM) 功能

高效工作模式

具有子采样（Subsampling Mode）模式和触发模式（Trigger Mode）的图像传感器可对器件进行出色的操作控制。子采样模式提供了控制带宽与功耗关系的机会——可以在较低分辨率、较低帧率下运行传感器以降低功耗，或者在相同功耗下以较高帧率运行。无论哪种情况，这种灵活性都有助于选择最理想的工作状态，实现最低的功耗。

利用触发模式，用户可以控制图像传感器的场景曝光到所需的精细度，并允许读取拍摄到的图像数据，然后将传感器切换到待机状态，在这种状态下它消耗的功耗最少。在再次触发之前，传感器保持低功耗状态，等待重复操作。

在传感器内进行更多处理

图像传感器是边缘数据捕获器件。通常，这些器件会拍摄场景并提供数据。这给ISP/SoC带来了巨大的负担，因为它们需要处理数据并使其适合决策。

许多功能都可以在传感器内部、靠近数据源处完成，与在数据路径的后期处理相比，输出速度更快，保真度更高。例如，视觉系统可能需要更宽的动态范围来应对复杂的光照条件。系统可以通过融合场景的多重曝光来实现这一点。

这种融合既可以在ISP/SoC中进行，也可以在传感器内部完成。后者效率更高，并能提供更优质的图像，因为融合逻辑利用的是靠近信号源的信号，并最大限度地降低了过程中的功耗。而前者可能接收到的是低保真数据，这依赖于融合算法的质量，并且由于需要在器件间传输数据以及片外存储中数据的频繁交换，导致功耗更高，处理需求更大。

如果选择 "非智能 "传感器，视觉系统设计人员往往会面临两难选择，不知道用哪种方法才能实现最佳解决方案。所需的数据处理要么通过ISP/SoC上的硬件完成，要么通过运行在这些器件上的软件来完成。无论哪种情况，它们的局限性都会导致性能/功耗/价格达不到最佳水平，从而迫使设计人员做出代价高昂的权衡。

安森美（onsemi）图像传感器的架构和设计旨在提供尽可能低功耗的视觉系统

要在实际成像应用中实现出色的性能，同时不增加图像传感器和整个视觉系统的功耗，就需要传感器具有更高的效率。这些传感器必须在物理尺寸、功耗和数据传输的限制内工作，在具备高灵敏度，提供卓越的图像质量的同时还要节能。

达成这一关键平衡是安森美 Hyperlux 图像传感器系列的核心追求。Hyperlux LP 产品系列的架构和设计旨在最大限度地降低功耗，被公认为领先业界的低功耗图像传感器。Hyperlux LH 产品系列具有更高的性能，在传感器内集成了多种功能，从而减少了对功能丰富的 ISP/SoC 的需求。

安森美的Hyperlux LP产品系列包括500万像素（MP）的AR0544、800万像素的AR0830和2000万像素的AR2020。Hyperlux LH产品系列则包含200万像素的AR0246、800万像素的AR0822以及即将发布的1200万像素传感器。这些传感器扩展了安森美的通用图像传感器系列，以最大限度地降低功耗，不仅是器件本身的功耗，还降低了整个系统的功耗。

这些传感器不但功耗超低，与其他替代产品相比，功耗最多可降低 40%。此外，与同类产品相比，它们的物理尺寸更小。

安森美 Hyperlux LP 和 Hyperlux LH 图像传感器采用先进的硅和像素架构，具有卓越的光学性能。由此产生的量子效率（QE）和整体数据路径性能，即使在具有挑战性的低光条件下也能提供高质量的图像。这极大地减少了可见光和近红外区域的补充照明，降低了视觉系统的总体物料（BOM） 成本。

这两个产品系列都内置了诸如运动唤醒（WOM）、子采样和触发模式等多种功能，有助于最大限度地减少系统级的处理延迟，降低 ISP/SoC 的功耗，并降低视觉系统的总体拥有成本（TCO）。通过构建特定的功能以提供更宽的动态范围，这些传感器使得智能视觉系统能够提供高性能的差异化功能。