智能感知技術(shù)推動汽車、機器視覺、邊緣人工智能的發(fā)展

安森美半導(dǎo)體

一、前言

圖像傳感器、深度感知、傳感器融合，是感知模式未來發(fā)展的三個趨勢，而汽車、機器視覺、邊緣人工智能（Edge AI）是智能感知最聚焦的三大應(yīng)用市場。

安森美半導(dǎo)體一直致力于提供完整的感知模式及方案，包括超聲波、成像、毫米波雷達、激光雷達（LiDAR）及傳感器融合等，且技術(shù)領(lǐng)先行業(yè)并持續(xù)創(chuàng)新，是至關(guān)重要三大應(yīng)用領(lǐng)域成像方案的市場領(lǐng)袖，致力于提供超越人眼的視覺。

二、汽車智能感知方案為邁向自動駕駛鋪平道路

駕駛員的視線范圍一般只能覆蓋前方180°，加上余光可能超過200°，而融合圖像傳感器、超聲波、雷達、LiDAR的汽車具有360°感知能力。如圖1所示，目前啟用自動駕駛的車輛配備9個（以后可能達到20個）圖像傳感器、10個雷達、至少2個超聲波，將來也會配置至少1個LiDAR。另外，駕駛員可能會有幾毫秒的精力分散情況，而智能感知可以全時候地跟蹤、檢測和計算，比駕駛員更強。

三、安森美半導(dǎo)體的汽車感知陣容

圖2所示為安森美半導(dǎo)體全面的汽車智能感知陣容，打破了行業(yè)間的壁壘，滿足客戶全方位需求。在視覺和感知應(yīng)用方面，安森美半導(dǎo)體有100萬、200萬、300萬、400萬像素的片上系統(tǒng)。在ADAS（先進駕駛輔助系統(tǒng)）和自動駕駛方面，安森美半導(dǎo)體的寬動態(tài)技術(shù)能夠達到140dB，目前半導(dǎo)體行業(yè)120dB的產(chǎn)品居多。雖然只有20dB的差別，但對人工智能的算法而言是相當大的差距，甚至直接關(guān)乎能否識別。

安森美半導(dǎo)體800萬的像素微光機感光效果極佳，為目前市場的L4自動駕駛汽車廣泛使用。艙內(nèi)應(yīng)用快速發(fā)展，如駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，安森美半導(dǎo)體擁有全系列的圖像傳感產(chǎn)品，200萬像素是目前使用的最高級別，原因是汽車中央處理器尚沒有能力處理級別更高的像素。邊緣計算方面，安森美半導(dǎo)體把傳感器的處理單元稱為SPU（Sensor Processing Unit），目前產(chǎn)品可以支持100萬、200萬、300萬像素的處理。

作為汽車圖像傳感器供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體提供感知+視覺的整體方案，具備汽車所有攝像機種類，完整的產(chǎn)品平臺從130萬像素至1200萬像素，通用的高動態(tài)范圍（HDR）和抑制LED閃爍（LFM）的傳感器架構(gòu)滿足需求，且具備10多年汽車ADAS方案技術(shù)領(lǐng)先的經(jīng)驗。另外，公司的Clarity+選項配置實現(xiàn)感知與人類視覺同步，是一個攝像機提供視覺和感知系統(tǒng)集成的技術(shù)，并且符合第4代ISO26262功能安全標準（汽車安全完整性級別ASIL C級），其世界首顆含網(wǎng)絡(luò)安全的圖像傳感器已量產(chǎn)。圖3給出了2016年及2018年安森美半導(dǎo)體在汽車成像和感知攝像機領(lǐng)域的全球市場分額[1]。

1、最大化動態(tài)范圍至關(guān)重要

高動態(tài)范圍（HDR）指一個圖片上亮和暗的比差。在汽車應(yīng)用中，最大化動態(tài)范圍至關(guān)重要。典型場景如隧道或夜間行車，HDR有助于機器視覺或人工智能識別/判斷細節(jié)，提升安全性。安森美半導(dǎo)體成像方案的HDR達140dB，高過競爭對手的120dB。

2、LFM技術(shù)解決LED閃爍

LFM對整車廠是非常大的挑戰(zhàn)。因為LED在閃爍時頻率都不一樣。如果攝像機的頻率和紅綠燈的頻率不吻合就捕捉不到信號。安森美半導(dǎo)體的LFM技術(shù)可以在獲取信號后從軟件分析延遲（Latency）和功耗，從傳感器硬件上直接解決問題。

3、Clarity+實現(xiàn)感知與人類視覺同步

安森美半導(dǎo)體的核心技術(shù)Clarity+實現(xiàn)感知與人類視覺同步?，F(xiàn)在市場上人工視覺使用一個相機，機器視覺使用另外一個相機。而一個使用安森美半導(dǎo)體的相機既能做到機器視覺信號又能提供人工視覺信號。

4、NIR+提高近紅外靈敏度

汽車在夜間行駛時對近紅外的要求非常高。安森美半導(dǎo)體的近紅外+（NIR+）像素技術(shù)增加約4倍的近紅外靈敏度，可確保信號捕捉的全面，提升信號清晰度，還可省電。圖4所示為安森美半導(dǎo)體近紅外+（NIR+）像素技術(shù)。

5、全局快門全球第一

曾主要用于工業(yè)掃描的全局快門技術(shù)也會應(yīng)用到汽車上，特別是在駕駛員疲勞監(jiān)控方面。安森美半導(dǎo)體在全局快門領(lǐng)域是全球第一。圖5所示為安森美半導(dǎo)體全局快門技術(shù)。

6、8000多種失效模式注入芯片以鑒別芯片的可信度

自動駕駛的首要關(guān)鍵是功能安全，圖像傳感器本身的線路失效可能出現(xiàn)短路、信號削弱等問題，安森美半導(dǎo)體將8000多種失效模式注入芯片以鑒別芯片的可信度，從而確保功能安全。所謂功能安全指元器件的線路可自檢以提供完整、準確的信息，和路況沒有任何關(guān)系。此外，還專門開發(fā)了安全手冊供客戶參考。

四、汽車圖像感知發(fā)展方向

汽車圖像傳感器市場在迅速增長，主要應(yīng)用于先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、艙內(nèi)攝像機、視覺攝像機、攝像機監(jiān)控系統(tǒng)（CMS）乃至自動駕駛。一些大型卡車用CMS取代車鏡可減小擋風阻力，節(jié)省5%～10%的能源。未來汽車圖像感知發(fā)展方向主要包括：

（1）車外的人工視覺，包括環(huán)視、后視，這是供人看的；

（2）車外的機器視覺，包括ADAS、自動駕駛；

（3）艙內(nèi)監(jiān)控在迅速擴展，包括駕駛員疲勞監(jiān)控、疾病檢測、情緒/生理檢測，安全氣囊精準調(diào)整、人機互動（Human Machine Interaction）、虹膜識別（Iris Detection）和人臉識別等。人機互動，包括手勢識別功能，如調(diào)整艙內(nèi)溫度、聽廣播、打電話等都可以用手勢來操作。除了對駕駛員的監(jiān)控，還有對乘員的監(jiān)控，如機器人出租車（robot taxi）的很多功能都需要艙內(nèi)監(jiān)控，包括安全帶提醒、兒童在場檢測、物體檢測和寵物檢測等。這都是未來自動駕駛要涉及到的一些應(yīng)用。

而汽車圖像感知產(chǎn)品的發(fā)展方向則朝向不同技術(shù)的融合，如：

（1）自動駕駛毫米波雷達融合

隨著L2、L3、L4和全自動駕駛的需求增長，長、中、短距毫米波雷達隨著其成本降低需求量越來越多，在汽車上的應(yīng)用也會越來越多。安森美半導(dǎo)體的NR4401是市場首款具4個同步收發(fā)器Tx的產(chǎn)品，能以單個器件支持短/長距，減少物料單（BOM）器件數(shù)，降低成本，可靈活配置和擴展。圖6為NR4401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

（2）LiDAR和成像的融合

安森美半導(dǎo)體的FuseOne是目前市場上首款達到車規(guī)的LiDAR。它結(jié)合200萬像素汽車級傳感器和基于8×2 硅光電倍增管（SiPM）的閃光LiDAR，由于不需要機械式的雷達掃描，將成本從市面上的上萬美金降至幾百美金，從而使固態(tài)雷達成為現(xiàn)實。

五、增長的機器視覺市場

在人工智能興起的浪潮下，工業(yè)機器視覺和Edge AI越來越受重視。除了傳統(tǒng)工廠自動化、智能化工廠，機器視覺還越來越多地用于智能交通、新零售、智能樓宇/家居、機器人、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實/可穿戴、安防/監(jiān)控等領(lǐng)域。隨著人工智能對像素分辨、理解和判斷能力需求的提升，圖像傳感器對于像素識別要求也越來越高。

安森美半導(dǎo)體同時具備CMOS和CCD圖像傳感器技術(shù)，憑借全方位的產(chǎn)品陣容及領(lǐng)先的產(chǎn)品性能優(yōu)勢，成為工業(yè)機器視覺的領(lǐng)袖。

（1）XGS系列在機器視覺領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先

在機器視覺領(lǐng)域，安森美半導(dǎo)體的競爭優(yōu)勢有產(chǎn)品范圍、尺寸、幀速、性價比、性能及應(yīng)用支援。公司推出的曾轟動業(yè)界的PYTHON系列僅需2塊PCB就能支持從VGA到2500萬像素的8種分辨率，為要求嚴格的工業(yè)應(yīng)用提供高性能成像和簡化的升級。現(xiàn)在的XGS系列（圖7）則比PYTHON系列進一步提升性能，具備高帶寬、低功耗架構(gòu)，采用3.2μm全局快門CMOS設(shè)計，降低了設(shè)計尺寸，提供高性能、低噪聲。同時，一個攝像機可以支持多種分辨率和不同的像素功能，可快速靈活擴展，是工廠自動化、智能交通系統(tǒng)（ITS）、廣播成像、智能零售、機器人等應(yīng)用的理想選擇。更為重要的是，XGS系列是目前市場上唯一在29mm×29mm設(shè)計尺寸內(nèi)達到1600萬像素的產(chǎn)品。最新的XGS45000是4500萬像素全局快門傳感器，高速，低功耗（＜3W），支持60fps 8k視頻，只需一個攝像頭一次曝光、一次采樣就能清晰地看清目標的所有細節(jié)，用于機器視覺和高端安防極具優(yōu)勢。

（2）KAI-50140 CCD圖像傳感器：結(jié)合高分辨率和高圖像均勻性

KAI-50140是一款超高分辨率（5000萬像素）CCD圖像傳感器，縱橫比2.18:1，匹配現(xiàn)代智能手機顯示屏，提供世界一流的圖像均勻性和成像質(zhì)量，實現(xiàn)更高效的智能手機顯示屏檢測，可擴展到重要的檢測、監(jiān)控應(yīng)用如關(guān)鍵的生產(chǎn)線終端檢測（平板檢測）、廣域監(jiān)控、航拍等，可利用現(xiàn)有攝像機設(shè)計以簡化升級。

六、應(yīng)對邊緣設(shè)備更智能、更低功耗的需求

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）將涉及大量的邊緣設(shè)備，需要由FOG節(jié)點將處理后的數(shù)據(jù)進行聚合，進而發(fā)送到云端，然后從云端再發(fā)送最終的指令經(jīng)由FOG到邊緣設(shè)備。未來邊緣設(shè)備的激增及添加人工智能（AI）進行分析處理的特征，要求盡可能降低功耗和更智能。

AR0430/AR0431為IoT設(shè)計，可很好地應(yīng)對這需求，僅需不到70mW就能提供400萬像素、30fps輸出，其功率可擴展，在1fps時功耗不到8mW。

安森美半導(dǎo)體目前正開發(fā)下一代用于Edge AI的傳感器，含運動檢測功能，可自動喚醒，以卷簾快門的成本實現(xiàn)相當于全局快門的功能，幀速達250fps，功耗超低，在30fps輸出時為17mW，1fps輸出時不到2.5mW，尺寸小到可隱藏，還采用NIR+技術(shù)，確保有效的夜間成像，典型應(yīng)用是家中的監(jiān)控攝像機。

七、深度測量的探索

1、Super Depth深度映射技術(shù)

智能機器人需要具有空間感，不能只是平面上的感知，還要感知周圍的深度。目前深度映射有立體視覺、結(jié)構(gòu)光、飛行時間（ToF）、Super Depth和雷達五種技術(shù)。安森美半導(dǎo)體的Super Depth技術(shù)同步單個傳感器的深度及彩色圖像，無需任何補光，適用于服務(wù)機器人、家用機器人感知周圍的深度。

2、SPAD 陣列 LiDAR / ToF 提供高精準深度

安森美半導(dǎo)體將把圖像傳感技術(shù)融合到LiDAR的開發(fā)上，把激光雷達矩陣化，變成圖像。Pandion（圖8）是安森美半導(dǎo)體新推出的單一光電雪崩二極管（SPAD）陣列LiDAR，具有上百萬、上億的感光增益，是矩陣型的。固態(tài)光源Flash可感知3m內(nèi)的深度，掃描式的波速控制（Beam Steering），則能感知到100m左右的深度。因為它采用了矩陣型感光點，形成400×100的矩陣。區(qū)別于傳統(tǒng)的點云（point cloud），Pandion已形成了圖像。0.1 lux的環(huán)境光肉眼幾乎看不到，但是通過Super Depth技術(shù)就可看到。

八、總結(jié)

安森美半導(dǎo)體提供全方位智能感知方案，包括超聲波、 成像、毫米波雷達、LiDAR和傳感器融合，是汽車自動駕駛、工業(yè)機器視覺、Edge AI等至關(guān)重要領(lǐng)域成像方案的市場領(lǐng)袖，憑借技術(shù)領(lǐng)先、悠久的創(chuàng)新傳統(tǒng)和持續(xù)投入走在行業(yè)的前端，并積極開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。同時深耕中國市場，匯集專業(yè)技術(shù)和銷售人才服務(wù)客戶。