【導讀】在當今數字化時代
，視覺產品的需求與日俱增
，在自主移動機器人 (AMR)、倉庫機器人、無人機

、農業、工廠檢查和安防/監控等應用場景，會實施基於機器視覺的人工智能 (AI) 與yu先xian進jin技ji術shu來lai執zhi行xing關guan鍵jian功gong能neng。要yao想xiang提ti高gao現xian有you的de目mu標biao檢jian測ce和he識shi別bie能neng力li

，需xu要yao解jie決jue在zai不bu利li光guang照zhao條tiao件jian下xia

，對dui運yun動dong中zhong的de對dui象xiang和he更geng遠yuan距ju離li的de精jing細xi細xi節jie捕bu獲huo圖tu像xiang的de難nan題ti。

----智能感知事業群工業感知部應用工程高級經理Open.Kai

在當今數字化時代，視覺產品的需求與日俱增，在自主移動機器人 (AMR)、倉庫機器人、無人機
、農業、工廠檢查和安防/監控等應用場景
，會實施基於機器視覺的人工智能 (AI) 與yu先xian進jin技ji術shu來lai執zhi行xing關guan鍵jian功gong能neng。要yao想xiang提ti高gao現xian有you的de目mu標biao檢jian測ce和he識shi別bie能neng力li，需xu要yao解jie決jue在zai不bu利li光guang照zhao條tiao件jian下xia，對dui運yun動dong中zhong的de對dui象xiang和he更geng遠yuan距ju離li的de精jing細xi細xi節jie捕bu獲huo圖tu像xiang的de難nan題ti。而安森美先進的CMOS圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)正(zheng)是(shi)推(tui)動(dong)這(zhe)一(yi)領(ling)域(yu)不(bu)斷(duan)創(chuang)新(xin)的(de)關(guan)鍵(jian)。這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)分(fen)辨(bian)率(lv)，還(hai)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)更(geng)加(jia)智(zhi)能(neng)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)片(pian)上(shang)多(duo)幀(zhen)合(he)成(cheng)以(yi)及(ji)壓(ya)縮(suo)技(ji)術(shu)來(lai)獲(huo)得(de)低(di)係(xi)統(tong)帶(dai)寬(kuan)需(xu)求(qiu)的(de)高(gao)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)影(ying)像(xiang)，還(hai)實(shi)現(xian)了(le)HDR運動補償

、LED閃爍抑製
、運動喚醒等功能。在這樣一個競爭激烈的市場中
，利用領先的CMOS圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)企(qi)業(ye)將(jiang)能(neng)夠(gou)更(geng)好(hao)地(di)滿(man)足(zu)市(shi)場(chang)需(xu)求(qiu)，提(ti)高(gao)產(chan)品(pin)的(de)競(jing)爭(zheng)力(li)和(he)市(shi)場(chang)份(fen)額(e)。因(yin)此(ci)
，深(shen)入(ru)了(le)解(jie)和(he)應(ying)用(yong)這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)了(le)企(qi)業(ye)推(tui)進(jin)視(shi)覺(jiao)產(chan)品(pin)創(chuang)新(xin)的(de)必(bi)要(yao)手(shou)段(duan)。

安森美（onsemi）最新推出的AR0822是一顆集eHDRTM  , 運動補償（Motion Compensation）, 運動喚醒（Wake on Motion）幾大硬核功能於一體的八百萬像素的4K圖像傳感器芯片。下麵讓我們來了解一下這些專業名詞吧。

● 什麼是HDR?

HDR = High Dynamic Range, 高動態範圍。也有叫WDR（Wide Dynamic Range）的，其實是不同廠家不同的叫法，實際上都是一樣的。

動態範圍計算公式：

Smax:最大可測量到的信號
，即像素飽和信號值,也就是像素的滿井電荷；

Smin:最小可偵測到的信號，即SNR=1時的信號值，也就是全黑場景下的讀出噪聲
；

也就是    

多次曝光是如何來提升動態範圍的呢
？

T1=Long exposure time, T2=Short exposure time.

● 為什麼需要HDR?

● 自然界的光線強度從0.0001弱星光到超過100K的夏季太陽直射光，整個亮度的動態範圍約180dB. 人眼能分辨出來的最大動態範圍約120dB.

● 當今相機的應用場景存在不少動態範圍的挑戰：

● 怎麼樣才能更好的處理高亮度場景呢？

這三個維度基本上就代表了目前主流的HDR技術方向。

● 我們來看看目前主流的幾種實現HDR的技術：

• 多次曝光

• 大小像素

• 超級曝光

● 多次曝光

多次曝光技術

，通過長曝光來捕捉低亮度處的細節
，通過中、短曝光來捕捉中高亮度處的圖像。在常規像素設計的情況下，通過多次曝光技術就可以達到120dB（3次曝光） 甚至140dB（4次曝光） 的動態範圍。然而一般的多次曝光技術存在不足：對於運動的物體會有運動偽色影，特別是對於LED光源
，有時它能被短曝光時間捕捉到
，有時候則不能
，那就導致了LED閃爍不清的問題。典型的脈衝光源是LED交通燈
、交通標誌和汽車尾燈。

● 大小像素

zheleishejidexinpianshangtongshicunzaidaxiangsuhexiaoxiangsu，daxiangsulaibuzhuodiguangxinxi，xiaoxiangsulaibuzhuogaoguangxinxi。youyudaxiaoxiangsushitongshipuguangde，zhezhongshejibimianleyundongweiyingwenti。ranerzhezhongjishucunzaidaxiangsuQE損失，以及由於大小像素QE不同、串chuan擾rao等deng影ying響xiang產chan生sheng的de色se彩cai問wen題ti，需xu要yao使shi用yong者zhe花hua費fei大da量liang的de資zi源yuan和he成cheng本ben來lai進jin行xing校xiao正zheng
，給gei用yong戶hu帶dai來lai了le很hen大da的de挑tiao戰zhan。大da小xiao像xiang素su技ji術shu是shi利li用yong大da像xiang素su和he小xiao像xiang素su感gan應ying光guang線xian的de比bi例li來lai實shi現xianHDR
，目前半導體製作技術能力不允許任意的擴大或者縮小像素物理尺寸，所以大小像素技術能達到動態範圍也是有限的。

zaixianzaichengbenyijixiaoxinghuayalixia
，yaojiangtongyangfenbianlvdexinpianzuoxiao，jiuxuyaoshiyonggengxiaodexiangsu，daxiaoxiangsufanganbidanxiangsufangangengnanqusuoxiaoxiangsuchicun。zhu:大小像素技術是安森美的專利，在2009年由美光公司獲得。

● 超級曝光
，即我們在Hyperlux係列采用的技術。

通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)額(e)外(wai)的(de)電(dian)路(lu)，當(dang)像(xiang)素(su)電(dian)容(rong)飽(bao)和(he)時(shi)候(hou)，溢(yi)出(chu)的(de)電(dian)荷(he)繼(ji)續(xu)轉(zhuan)移(yi)到(dao)外(wai)掛(gua)的(de)電(dian)容(rong)存(cun)儲(chu)中(zhong)去(qu)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)了(le)超(chao)大(da)的(de)滿(man)井(jing)電(dian)荷(he)，動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)能(neng)達(da)到(dao)單(dan)次(ci)曝(pu)光(guang)110dB,多次曝光能達到150dB。這種方式在110dB下沒有LED 閃爍問題和運動偽影問題
，同時還有非常好的低光照性能。

● 看了這麼多的HDR技術，那麼安森美AR0822是怎麼樣的技術呢
？為什麼說它是eHDRTM 呢？

通常多次曝光的sensor會發送每一次曝光的數據給到後端處理器來進行合成

，而3次曝光就需要發送3幀數據。當今應用對圖像傳感器的分辨率要求越來越高，4K 800萬能提供更多的細節
，可是，3張800萬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10Gbps,這對SERDES以及線纜的挑戰十分巨大。

AR0822 是eHDRTM  （embedded High Dynamic Range）,多次曝光合成是在sensor內部進行完成的，通過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，然後再傳輸給後端平台，極大的降低了係統的數據帶寬。

AR0822 支持多種多次曝光合成線性化擬合功能
，DLO(Digital Lateral Overflow)以及SCMAX(Smooth Combination Max)， 我們稱其智能擬合，這種模式降低了多次曝光合成時的亮度臨界區域的噪聲。

還記得我們前麵說的多次曝光HDR的一個不足嗎？對，就是運動偽影以及LED 閃爍
，AR0822 片上HDR合成還加入了運動補償（Motion compensation）功能來減輕這些問題：

運動補償包含運動捕捉和運動糾正兩個模塊，運動捕捉模塊來捕捉T1和T2之間的運動值（對每一個pixel進行motion mask的計算）,運動糾正模塊使用motion mask來對T1數據進行運動補償。

例圖：上路實拍
，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
，當檢測到畫麵ROI區域中有運動發生
，則去喚醒SOC，恢複sensor運行到正常模式。

而其傑出的motion detect ROI 則進一步降低功耗：

我們對畫麵進行運動捕捉block 分區，隻關注開啟區域的運動檢測，像典型的可視門鈴，上圖中場景內存在樹木花草
，一旦有什麼“風吹草動”或者小動物經過
，很可能係統就開啟誤報
，而可編程的運動捕捉區域
，可以很好的降低這種誤報。配合PIR，通過sensor自帶的運動捕捉和超級低功耗模式，可以讓整機係統電池使用時間延長50倍。

先進的CMOS圖像傳感器技術的發展，將不斷推動視覺產品的創新和進步。無論是在工業自動化

、汽車安全
、醫療診斷等領域，這一技術都將扮演著越來越重要的角色。安森美的AR0822傳感器集eHDRTM  , 運動補償, 運動喚醒幾大硬核功能於一體
，解決工程師在設計視覺係統時所麵臨的動態範圍
、運動偽影

、LED閃爍、功耗等複雜挑戰，實現更多創新。

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