【導讀】在當今數字化時(shí)代，視覺(jué)產(chǎn)品的需求與日俱增，在自主移動(dòng)機器人 (AMR)、倉庫機器人、無(wú)人機、農業(yè)、工廠(chǎng)檢查和安防/監控等應用場(chǎng)景，會(huì )實(shí)施基于機器視覺(jué)的人工智能 (AI) 與先進(jìn)技術(shù)來(lái)執行關(guān)鍵功能。要想提高現有的目標檢測和識別能力，需要解決在不利光照條件下，對運動(dòng)中的對象和更遠距離的精細細節捕獲圖像的難題。
----智能感知事業(yè)群工業(yè)感知部應用工程高級經(jīng)理Open.Kai
在當今數字化時(shí)代，視覺(jué)產(chǎn)品的需求與日俱增，在自主移動(dòng)機器人 (AMR)、倉庫機器人、無(wú)人機、農業(yè)、工廠(chǎng)檢查和安防/監控等應用場(chǎng)景，會(huì )實(shí)施基于機器視覺(jué)的人工智能 (AI) 與先進(jìn)技術(shù)來(lái)執行關(guān)鍵功能。要想提高現有的目標檢測和識別能力，需要解決在不利光照條件下，對運動(dòng)中的對象和更遠距離的精細細節捕獲圖像的難題。而安森美先進(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)獲得低系統帶寬需求的高動(dòng)態(tài)范圍影像，還實(shí)現了HDR運動(dòng)補償、LED閃爍抑制、運動(dòng)喚醒等功能。在這樣一個(gè)競爭激烈的市場(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(mǎn)足市場(chǎng)需求，提高產(chǎn)品的競爭力和市場(chǎng)份額。因此，深入了解和應用這一技術(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（onsemi）最新推出的AR0822是一顆集eHDRTM , 運動(dòng)補償（Motion Compensation）, 運動(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。
● 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(chǎng)家不同的叫法，實(shí)際上都是一樣的。
動(dòng)態(tài)范圍計算公式：
Smax:最大可測量到的信號，即像素飽和信號值,也就是像素的滿(mǎn)井電荷；
Smin:最小可偵測到的信號，即SNR=1時(shí)的信號值，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.
● 為什么需要HDR?
● 自然界的光線(xiàn)強度從0.0001弱星光到超過(guò)100K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.
● 當今相機的應用場(chǎng)景存在不少動(dòng)態(tài)范圍的挑戰：
● 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HDR的技術(shù)：
多次曝光
大小像素
超級曝光
● 多次曝光
多次曝光技術(shù)，通過(guò)長(cháng)曝光來(lái)捕捉低亮度處的細節，通過(guò)中、短曝光來(lái)捕捉中高亮度處的圖像。在常規像素設計的情況下，通過(guò)多次曝光技術(shù)就可以達到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：對于運動(dòng)的物體會(huì )有運動(dòng)偽色影，特別是對于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、交通標志和汽車(chē)尾燈。
● 大小像素
這類(lèi)設計的芯片上同時(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，這種設計避免了運動(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、串擾等影響產(chǎn)生的色彩問(wèn)題，需要使用者花費大量的資源和成本來(lái)進(jìn)行校正，給用戶(hù)帶來(lái)了很大的挑戰。大小像素技術(shù)是利用大像素和小像素感應光線(xiàn)的比例來(lái)實(shí)現HDR，目前半導體制作技術(shù)能力不允許任意的擴大或者縮小像素物理尺寸，所以大小像素技術(shù)能達到動(dòng)態(tài)范圍也是有限的。
在現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。
● 超級曝光，即我們在Hyperlux系列采用的技術(shù)。
通過(guò)增加額外的電路，當像素電容飽和時(shí)候，溢出的電荷繼續轉移到外掛的電容存儲中去，從而實(shí)現了超大的滿(mǎn)井電荷，動(dòng)態(tài)范圍能達到單次曝光110dB,多次曝光能達到150dB。這種方式在110dB下沒(méi)有LED 閃爍問(wèn)題和運動(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eHDRTM 呢？
通常多次曝光的sensor會(huì )發(fā)送每一次曝光的數據給到后端處理器來(lái)進(jìn)行合成，而3次曝光就需要發(fā)送3幀數據。當今應用對圖像傳感器的分辨率要求越來(lái)越高，4K 800萬(wàn)能提供更多的細節，可是，3張800萬(wàn)像素的圖片的數據量多大呢？如果是多相機的應用方案呢？處理器能提供多大的帶寬呢？
如果采用傳統的HDR 數據傳輸方式，4K 3次曝光需要超過(guò)10Gbps,這對SERDES以及線(xiàn)纜的挑戰十分巨大。
AR0822 是eHDRTM （embedded High Dynamic Range）,多次曝光合成是在sensor內部進(jìn)行完成的，通過(guò)內部智能擬合以及壓縮功能，可以將3次曝光的20bit數據壓縮成12bit數據，然后再傳輸給后端平臺，極大的降低了系統的數據帶寬。
AR0822 支持多種多次曝光合成線(xiàn)性化擬合功能，DLO(Digital Lateral Overflow)以及SCMAX(Smooth Combination Max)， 我們稱(chēng)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，就是運動(dòng)偽影以及LED 閃爍，AR0822 片上HDR合成還加入了運動(dòng)補償（Motion compensation）功能來(lái)減輕這些問(wèn)題：
運動(dòng)補償包含運動(dòng)捕捉和運動(dòng)糾正兩個(gè)模塊，運動(dòng)捕捉模塊來(lái)捕捉T1和T2之間的運動(dòng)值（對每一個(gè)pixel進(jìn)行motion mask的計算）,運動(dòng)糾正模塊使用motion mask來(lái)對T1數據進(jìn)行運動(dòng)補償。
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eHDRTM 外，還具備WOM (Wake on Motion)功能：
AR0822可以運行在極低的幀率下，當檢測到畫(huà)面ROI區域中有運動(dòng)發(fā)生，則去喚醒SOC，恢復sensor運行到正常模式。
而其杰出的motion detect ROI 則進(jìn)一步降低功耗：
我們對畫(huà)面進(jìn)行運動(dòng)捕捉block 分區，只關(guān)注開(kāi)啟區域的運動(dòng)檢測，像典型的可視門(mén)鈴，上圖中場(chǎng)景內存在樹(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)，很可能系統就開(kāi)啟誤報，而可編程的運動(dòng)捕捉區域，可以很好的降低這種誤報。配合PIR，通過(guò)sensor自帶的運動(dòng)捕捉和超級低功耗模式，可以讓整機系統電池使用時(shí)間延長(cháng)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、醫療診斷等領(lǐng)域，這一技術(shù)都將扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。安森美的AR0822傳感器集eHDRTM , 運動(dòng)補償, 運動(dòng)喚醒幾大硬核功能于一體，解決工程師在設計視覺(jué)系統時(shí)所面臨的動(dòng)態(tài)范圍、運動(dòng)偽影、LED閃爍、功耗等復雜挑戰，實(shí)現更多創(chuàng )新。
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