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ISSCC 2018会议上,几项图像处理器新技术
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在2018年度的国际固态电路会议(ISSCC)上,有几项在图像传感器技术方面的新进展亮相,超越了以前着重在“选美”的影像撷取,添加了更多情境资讯;这些新进展包括了事件导向(event-driven)传感器、能解决运动中物体影像扭曲问题的全域快门(global shutters)新方法,以及飞行时间(ToF)图像传感器。


具备动作侦测功能的CMOS影像传感器
索尼(Sony)在ISSCC发表的事件导向低功耗CMOS图像传感器,就是一个为所撷取影像添加情境资讯的好例子,该公司的设计工程师团队直接在图像传感器内部布置了运动侦测(motion detection)功能。


在一篇论文中,Sony详细介绍了一款1/4吋、390万像素(3.9Megapixel)的低功耗事件导向背照式堆叠(back-illuminated stacked) CMOS图像传感器,整合了像素读取电路(pixel readout circuit),能侦测每一个像素的运动物体。根据Sony开发团队的描述,开发这款事件导向图像传感器的幕后动机,是为了满足那些低功耗、永不关机装置也要配备高画质成像技术的需求。


随着诸如家用保全摄影机、虚拟个人助理等无线连网装置崛起,物联网(IoT)系统设计工程师也在寻找能延长电池寿命的小型解决方案,事件导向技术正适合保全系统应用;这类影像传感器内建了智能功能,能即时侦测运动物体。

 


Sony的事件导向传感器具备像素阵列、列驱动器(row drivers)、列解码器(row decoders)、单斜率产生器(single-slope generation)、动作/光侦测功能区块、影像讯号处理器、讯框存储器SRAM、MIPI连结埠,以及连结至传感器控制区块的CPU(来源:Sony)


如上图所示,当Sony事件导向传感器侦测到运动物体时,CPU会产生一个外部中断讯号,利用晶片上的自动曝光,以零延迟触发对高画质影像的撷取。Sony表示,该影像传感器利用每个像素区块共享之浮动扩散(floating diffusion)中的像素加总(pixel summation),实现了每秒10讯框的运动物体侦测。


Sony位于美国矽谷的影像传感器设计中心资深嵌入式软体工程师Abhinav Mathur表示,该影像传感器的运作功耗仅1.1mW,而相同的全分辨率、每秒60讯框速率CMOS影像传感器功耗为95mW;在事件纪录的应用中,此传感器能在摄影机系统的低功耗感测模式下显著降低功耗与资料频宽。

Sony事件导向传感器功能区块(来源:Sony)


ToF传感器技术进展
3D深度摄影机正夯,相关技术的竞争焦点在于更高分辨率、更低功耗以及更小体积;微软(Microsoft)在ISSCC简报了应用于Kinect 2动作感测装置的ToF传感器进展,该传感器采用的是经过改善的连续波(Continuous-Wave,CW)式ToF技术,号称将最新的ToF传感器推向了百万像素等级。

 

 

Microsoft的最新ToF传感器(来源:Microsoft)


Microsoft的团队认为,在市面上各种3D影像撷取技术中,CW ToF成像系统能提供优异的机械强度、无要求底线,以及高效能深度影像分辨率、低运算成本,还有IR环境光强度不变 (IR ambient light invariant intensity)同步撷取──即主动亮度(active brightness)──等特性,因此该团队致力于改善CW ToF摄影机的空间分辨率、精确度以及运作范围,同时降低其功耗。


此外Microsoft也借由提升调变对比(modulation contrast)、量子效率以及调变频率来改善CW ToF影像传感器的不确定性与功耗,消除了读取杂讯与模拟数字转换,同时以较小像素降低了光学堆叠的高度。

 

Microsoft的ToF传感器规格(来源:Microsoft)


小型像素(3.5 x 3.5μm)对新一代ToF传感器在智能手机应用的竞争上非常重要,Microsoft号称其方案具备商用全域快门RGB传感器竞争力,以及适用手持式装置的小型光学堆叠;该公司在ISSCC论文中介绍的1024x1024像素ToF全域快门影像传感器,能在200MHz下达到87%的调变对比,采用台积电(TSMC)的65奈米1P8M背照式CMOS技术。

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