安森美領(lǐng)先的成像技術(shù)助力視覺產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新

在機(jī)器視覺普及的時(shí)代，圖像傳感器作為其“眼睛”有著越來越多的各樣的應(yīng)用。安森美(onsemi)的圖像傳感技術(shù)通過不斷地技術(shù)創(chuàng)新，力求滿足越來越廣泛的市場(chǎng)領(lǐng)域需要。如今，越來越多的家庭和企業(yè)安裝攝像頭做監(jiān)控，據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到2030年底，此市場(chǎng)將增長(zhǎng)兩倍。因此，消費(fèi)者需要有更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量、更可靠和更長(zhǎng)電池壽命的設(shè)備，來提升整體使用體驗(yàn)。由于這些相機(jī)通常會(huì)被放置在難以更換電池或充電的位置，因此低功耗成為一個(gè)關(guān)鍵需求。對(duì)此，安森美推出了一些低功耗的高質(zhì)量圖像傳感技術(shù)，場(chǎng)景覆蓋智能門禁、安防攝像頭、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）頭戴裝置、機(jī)器視覺和視頻會(huì)議等。比如其中的智能運(yùn)動(dòng)偵測(cè)喚醒技術(shù)（smart Wake on Motion），非常適用于對(duì)運(yùn)動(dòng)偵測(cè)有需求的低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，例如安防領(lǐng)域的智能門鈴門鎖等。

安森美的Hyperlux LP系列圖像傳感器即具備上述的Wake on Motion低功耗技術(shù)。在增強(qiáng)了設(shè)備的偵測(cè)能力的同時(shí)，有效地降低功耗。Hyperlux LP系列同時(shí)具有高分辨率的非常優(yōu)秀的圖像解析力，客戶可以根據(jù)使用情況，選用500萬分辨率的AR0544、800萬分辨率的AR0830或2000萬分辨率的AR2020。另外此產(chǎn)品系列還采用堆疊式架構(gòu)設(shè)計(jì)，能最大限度地減少產(chǎn)品體積，最小型號(hào)小如一粒米，成為受尺寸限制困擾的緊湊型設(shè)備的理想選擇，大大適應(yīng)了相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的發(fā)展需求。下面，將針對(duì)Wake on Motion低功耗技術(shù)做一些較為詳盡的介紹。

Wake on Motion技術(shù)介紹

顧名思義，wake on motion即為運(yùn)動(dòng)偵測(cè)喚醒，即當(dāng)傳感設(shè)備檢測(cè)到前方某距離內(nèi)有移動(dòng)物體時(shí)，則退出休眠狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)，這樣降低了功耗，保證了設(shè)備在需要工作的狀態(tài)才工作，其他時(shí)候可以通過休眠節(jié)電。

傳統(tǒng)的wake on motion實(shí)現(xiàn)一般基于被動(dòng)紅外傳感器（PIR）。這種傳感器應(yīng)用廣泛，但存在誤觸發(fā)率高的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)功耗優(yōu)化有限，產(chǎn)生50%左右的功耗額外消耗。

安森美智能運(yùn)動(dòng)偵測(cè)喚醒技術(shù)介紹

針對(duì)PIR的誤觸發(fā)問題，安森美推出智能運(yùn)動(dòng)偵測(cè)喚醒技術(shù)，其方案是采用圖像傳感器融合PIR進(jìn)行運(yùn)動(dòng)偵測(cè)喚醒。核心關(guān)鍵在于在很低的功耗下賦予圖像傳感器運(yùn)動(dòng)偵測(cè)能力。該方案采用了獨(dú)有的Motion-DCT 算法，結(jié)合圖像傳感器的scale或binning技術(shù)在獲取的較低分辨率圖像上快速實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地做出運(yùn)動(dòng)偵測(cè)。該方案的特點(diǎn)為：

• 準(zhǔn)確性高

• 速度快

• 功耗低

• 實(shí)時(shí)性強(qiáng)

方案示例如下圖。從圖中可見，左側(cè)采用了PIR和圖像傳感器兩方進(jìn)行運(yùn)動(dòng)偵測(cè)并反饋到CPU處理器。該方案有兩種使用策略：Cascade級(jí)聯(lián)和Parallel并行。具體含義為：

Cascade：首先PIR+MCU檢測(cè)到物體移動(dòng)，然后再采用圖像傳感器的檢測(cè)結(jié)果做為確認(rèn)；

Parallel：PIR和圖像傳感器的檢測(cè)結(jié)果同時(shí)傳送到CPU作為運(yùn)動(dòng)偵測(cè)結(jié)果的判斷依據(jù)。

此方案適用的參數(shù)范圍為：

10lux ~ 10000lux亮度范圍；

圖像傳感器一次檢測(cè)耗時(shí)在100ms內(nèi)；

視場(chǎng)角在100度時(shí)，檢測(cè)距離在7-8米內(nèi)；

物體尺寸在4K分辨率下不能小于32x32像素大小；

物體最小移動(dòng)速度不能低于每幀4個(gè)像素距離。

感興趣區(qū)域（Zones）選擇功能

AR0830運(yùn)動(dòng)偵測(cè)技術(shù)支持感興趣區(qū)域選擇功能，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。即：將整幅圖像分成若干區(qū)域，供用戶選擇是否使用該區(qū)域圖像做運(yùn)動(dòng)偵測(cè)，以避免無效區(qū)域，從而降低算法的計(jì)算量，提升檢測(cè)速度及降低功耗。

如下圖展示的一個(gè)區(qū)域選擇示例。圖中，將整幅圖像分成了5X5的區(qū)域塊，選取了A,B,C三個(gè)方塊區(qū)域作為MASK區(qū)域，即不感興趣區(qū)域，不參與運(yùn)動(dòng)偵測(cè)計(jì)算，其他方塊區(qū)域作為感興趣區(qū)域參與運(yùn)動(dòng)偵測(cè)計(jì)算。除ABC區(qū)域外的任何區(qū)域中檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體，則該區(qū)域?qū)⒌玫揭粋€(gè)運(yùn)動(dòng)標(biāo)記。以上區(qū)域劃分和設(shè)定均可以由圖像傳感器的寄存器操作完成。

下圖是在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的示例：

可以看到，在該圖中，只有中間區(qū)域被選作了感興趣區(qū)域。而我們對(duì)畫面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉block 分區(qū)，只需關(guān)注開啟區(qū)域的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，像上圖中典型的可視門鈴場(chǎng)景內(nèi)存在樹木花草，一旦有什么“風(fēng)吹草動(dòng)”或者小動(dòng)物經(jīng)過，很可能系統(tǒng)就開啟誤報(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)40%。

工作原理詳述

安森美圖像傳感器AR0830采用的Motion-DCT運(yùn)動(dòng)偵測(cè)算法基本原理是計(jì)算每幀Gr像素的DCT和，并比較兩個(gè)連續(xù)幀之間DCT和的差異。如果差值等于或大于預(yù)定義閾值，則檢測(cè)到物體運(yùn)動(dòng)發(fā)生。

如前所述，安森美的智能運(yùn)動(dòng)偵測(cè)喚醒技術(shù)采用圖像傳感器融合PIR進(jìn)行運(yùn)動(dòng)偵測(cè)喚醒，且該方案有兩種使用策略模式：Cascade和Parallel。下面詳細(xì)介紹一下。

Cascade級(jí)聯(lián)模式：當(dāng)廉價(jià)的PIR運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器檢測(cè)到有運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，將圖像傳感器從硬件/軟件待機(jī)狀態(tài)喚醒。圖像傳感器啟動(dòng)Motion-DCT計(jì)算。如果確認(rèn)了運(yùn)動(dòng)，圖像傳感器會(huì)向主機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)。在某些幀之后，圖像傳感器將返回軟待機(jī)狀態(tài)，并等待PIR的下一個(gè)觸發(fā)（主機(jī)可能會(huì)將傳感器置于硬待機(jī)狀態(tài)）。在此模式下，Motion-DCT 偵測(cè)使能選項(xiàng)處于啟用狀態(tài)，但圖像數(shù)據(jù)流保持關(guān)閉狀態(tài)。

Parallel并行模式：圖像傳感器與PIR運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器并行工作（如果有）。當(dāng)PIR傳感器或圖像傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，來自相應(yīng)傳感器的中斷信號(hào)被發(fā)送到主機(jī)。圖像傳感器將持續(xù)檢查成對(duì)活動(dòng)幀內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，并在每個(gè)編程時(shí)隙強(qiáng)制傳感器軟待機(jī)一次，以節(jié)省電源。當(dāng)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，主機(jī)可以切換到流模式并再次進(jìn)入并行模式。

需要注意的是，Cascade和Parallel兩種模式互斥，同時(shí)只能選其一。

在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用的時(shí)候二者特點(diǎn)或區(qū)別在于：

并行模式：

可在低功耗模式下編程，即圖像傳感器在僅t1模式下輸出1個(gè)t1幀，或在基于幀的HDR模式下輸出一對(duì)t1/t1幀，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，達(dá)到md待機(jī)計(jì)數(shù)后喚醒。無論是否檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)，序列都會(huì)重復(fù)。

當(dāng)主機(jī)清除md_par_en時(shí)，圖像傳感器退出并行模式并進(jìn)入正常流。

如果stream_mode（設(shè)置了md_par_en）或md_par_n（設(shè)置了stream_mode），md操作將重新啟動(dòng)。

級(jí)聯(lián)模式：

傳感器需要設(shè)置Md_cas_en才能監(jiān)聽Md_trigger引腳（通過GPI）。

在級(jí)聯(lián)模式下，用戶的MCU為傳感器提供有效的觸發(fā)脈沖。

當(dāng)應(yīng)用md_hd_en選項(xiàng)時(shí)，傳感器將檢測(cè)到較小的運(yùn)動(dòng)，并檢查額外的一組幀以確認(rèn)運(yùn)動(dòng)。

性能介紹

下圖是當(dāng)人在垂直于光軸方向水平走過攝像頭時(shí)候的運(yùn)動(dòng)偵測(cè)準(zhǔn)確率情況：

下圖是當(dāng)人沿光軸方向徑直走向攝像頭時(shí)候的運(yùn)動(dòng)偵測(cè)準(zhǔn)確率情況：

可以看到：

在八米范圍都能檢測(cè)有效檢測(cè)到移動(dòng)物體；

在較近距離（1米，2米）相對(duì)于較遠(yuǎn)距離（4米，8米）有更靈敏的檢測(cè)；

更高的環(huán)境亮度能帶來更靈敏的檢測(cè)能力。

另外，此方案的功耗性能為：

Host CPU wake up + image sensor – 800~1200mw

Host CPU wake up + image sensor +Wifi module – 1.2~1.8W

總體而言，在前述的適用參數(shù)范圍內(nèi)，該方案具備良好的適用性和準(zhǔn)確性能以及低功耗的顯著特點(diǎn)。