物聯網時代下的圖像傳感器

Chris Yiu

自“新基建”概念提出以來，政策層面多次發布相關支持政策，以加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度，并進一步注重調動民間投資積極性。一時間，“新基建”成為社會各界關注的熱點，同時也加速了物聯網時代的到來。據估計，全球聯網設備的數量正在以每秒127臺的速度不斷增加，到2020年底將達到310億臺的驚人數量。

CMOS圖像傳感器，物聯網感知層面的核心

物聯網，其核心的應用場景便是通過感知技術實現對外界的全面感知，并且對感知數據進行分析、處理之后，操控物聯網設備進行智能化的工作。其中，“感知”是為了收集各種有效數據用于下一步的“計算”及“決策”，因此也是物聯網工作模式的核心之一。

好比眼睛是人類最重要的感官之一，而圖像傳感器就是物聯網“感知”外界信息的一類重要組成部件。在各種物聯網落地應用中（物體檢測， 手勢識別，車牌識別、人臉識別、自動追蹤等），均需要選用大量圖像傳感器用于采集圖像信息。根據一些業內人士的分析，在未來的物聯網數據中，來自圖像傳感器的圖像數據將成為最主要的組成部分之一。

以物聯網下最熱門的應用場景汽車應用為例，從當前具備聯網功能的智能汽車原型車可以看到，整車僅CMOS圖像傳感器就配備了四個用于環視圖像數據的收集，部分車型還計劃配備代替后視鏡的后視攝像頭、用于關注乘客以及駕駛員狀態的艙內攝像頭等多個CMOS圖像傳感器應用。而隨著聯網智能汽車的智能化等級逐步上升，還將配備更多的圖像傳感器以分別針對路況、道路標識、移動物體識別等多種需求。

同樣，在工業物聯網應用中，CMOS圖像傳感器收集到的圖像數據也已經作為工業智能化必須的感知基礎被越來越多的企業所重視。從產品條碼的掃碼器，到生產線上用于產品外觀檢測的攝像頭，CMOS圖像傳感器正出現在智能工廠中越來越多的角落。

物聯網應用中CMOS圖像傳感器面臨兩大挑戰

此前，CMOS圖像傳感器主要應用在手機等消費電子領域中，因此其技術開發方向往往是依托現有的電池技術、圖像處理技術等相關技術，向著更高的像素、更強大的夜景功能等方向發展。然而，在新興的物聯網應用中，CMOS圖像傳感器有其獨特的挑戰，其中最主要的挑戰有兩個——多樣的應用場景、嚴苛的部署條件。

由于在物聯網應用中，CMOS圖像傳感器被應用在多樣的場景中，不同的場景往往會對傳感器的性能提出獨特的要求。高速運動就是其中一種常見的場景，通常出現在車聯網、工業物聯網的應用中。傳統的CMOS圖像傳感器往往通過逐行曝光來獲取圖像數據，然而在高速運動的汽車、生產線上，逐行曝光獲得的圖像數據會產生非常嚴重的變形，也就是業內所稱的“果凍效應”。

此外，不少物聯網應用被部署在室外、汽車發動機附近、工作環境惡劣的工業流水線等場景中，因此，如何讓CMOS圖像傳感器能夠變得足以適應惡劣的工況，也是CMOS圖像傳感器廠商不得不重點考慮的技術研發方向。

同時，大部分物聯網設備往往需要隨時隨地不引起注意地在有線、無線（電池供電）的狀態下進行“全天候運作”（Always-on），如何賦能這類“全天候物聯網應用”成為了圖像傳感器廠商的新課題。

極速上電及超低功耗，擴大CMOS圖像傳感器部署邊界

對于物聯網的系統開發者而言，僅僅將現有用于手機或者安防攝像頭的CIS直接應用在物聯網產品中，會遇到許多技術問題，其中最主要的問題便是功耗。因為物聯網設備的使用需求，往往需要保持“全天候應用”（Always- on）的狀態，而同時很大一部分物聯網設備都依靠電池供電，降低CIS的耗電對于提升電池壽命十分重要。因此，如何針對物聯網應用功耗敏感的特點，開發專為物聯網應用設計的CIS產品，成為了橫亙在CIS廠商邁入物聯網領域之路上的最大障礙。

思特威前不久推出的針對物聯網應用的系列CMOS圖像傳感器SC210IoT，搭載AEC功能，在進入休眠時會自主記憶休眠前最后的成像數據，從而大大降低下次喚醒時所需的場景數據收集和匹配數據校正時間。從而實現“極速上電啟動”，平均出圖時間可縮短至60～70毫秒。對于例如架設于室內外的家居型監控設備，這一功能可實現迅速響應，不錯失記錄片刻異常狀況的發生。而另一方面，當異狀消失后，攝像頭將恢復休眠狀態，從而實現“按需啟動”，大大減少功耗。經測試SC210IoT的工作功耗僅70毫瓦，待機功耗更是小于10微瓦，有效滿足物聯網設備對超低功耗的需求。

應對復雜光線環境挑戰，讓物聯網的“眼睛”日夜都清晰

隨著物聯網的不斷發展以及智能家居市場的升溫，各類家用物聯網電子產品目前已經進入了快速發展階段，對于“全天候應用”的智能家居類設備，在日夜以及室內外都需要看護的智能家居場景下，不但要在白天擁有高品質的圖像獲取能力，更要應對黃昏及夜晚的超低光照環境。

而且在諸如隧道、室內外交界處等環境下，圖像傳感器需要同時對多個光線亮暗程度差異巨大的區域進行成像。傳統的CMOS圖像傳感器難免會出現亮區過曝或暗區無法清晰成像的問題。

針對這一成像問題，思特威推出了SC5335 CMOS圖像傳感器，該圖像傳感器使用的是業內首創的DSI像素技術，作為思特威自主研發的SmartPixel-2技術，DSI像素技術的成像性能較第一代所采用的FSI技術具有顯著提升，依靠DSI像素技術帶來的高靈敏度和高信噪比，能夠在光線條件不利的夜間及晨昏均實現清晰成像，解決了家用監控應用中常見的夜視不清晰、“蒙霧”等成像問題，提供超低光照條件下更卓越的成像性能，也為基于清晰的圖像信息下實現自動追蹤移動物體等智能化物聯應用提供了可靠的運算基礎。今年年初在CES 2020上斬獲創新類產品大獎的Swann Security Tracker攝像機搭載的正是這款CMOS圖像傳感器。

全局快門技術高效賦能多元化物聯網應用

針對前文提到的高速運動場景，為了應對果凍效應，業內提出了全局快門的技術概念，通過所有像素同時感應光線、同時曝光，來確保傳感器讀出的是同一時間點的同一個畫面，從根本上杜絕圖像在高速運動下的變形。

思特威在2018年發布的SmartGS系列BSI全局快門CMOS圖像傳感器，憑借先進的BSI像素工藝結合全局快門技術，有效減少捕捉快速運動物體時常會出現的形變及運動偽影，大幅提升高速移動物體圖像識別效率。

圖3左圖是采用全局快門技術的 SmartSens SC132GS拍攝的圖片，右圖是傳統逐行掃描的傳感器拍攝的圖片，可以明顯看出用傳統傳感器拍攝高速運動的風扇，物體會變形。并且，在有光線明暗變化的時候，擁有單幀HDR功能的SC132GS的成像不會有明暗瑕疵，足以展現更多細節。

目前，SC132GS已被廣泛應用于各類智能物聯網應用，包括智能人臉識別門禁系統、無現金支付掃碼/掃臉設備、智能手勢識別系統、智能可視門鈴、智能冰箱、智能掃地機器人及智能家用嬰幼監控等，更是在智能物流系統下的各類掃碼應用設備中扮演著重要的角色。

人工智能+物聯網，機器視覺未來可期

在物聯網未來的發展趨勢中，利用人工智能技術，實現智能化的物聯網已經成為了最主要的發展趨勢。在這一發展過程中，依托CMOS圖像傳感器作為感知核心的機器視覺技術發展勢頭迅猛。

作為一家已經在機器視覺領域嶄露頭角的國內CMOS圖像傳感器企業，思特威的理念始終是服務于應用技術的發展趨勢，根據市場和應用技術的需求，將看清萬物的“眼”做到極致。相信通過不斷完善提升CMOS成像傳感器的設計和制造能力，以此為基石的機器視覺技術在智能物聯網應用的前景未來大有可期。