物联网时代下的图像传感器

Chris Yiu

自“新基建”概念提出以来，政策层面多次发布相关支持政策，以加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度，并进一步注重调动民间投资积极性。一时间，“新基建”成为社会各界关注的热点，同时也加速了物联网时代的到来。据估计，全球联网设备的数量正在以每秒127台的速度不断增加，到2020年底将达到310亿台的惊人数量。

CMOS图像传感器，物联网感知层面的核心

物联网，其核心的应用场景便是通过感知技术实现对外界的全面感知，并且对感知数据进行分析、处理之后，操控物联网设备进行智能化的工作。其中，“感知”是为了收集各种有效数据用于下一步的“计算”及“决策”，因此也是物联网工作模式的核心之一。

好比眼睛是人类最重要的感官之一，而图像传感器就是物联网“感知”外界信息的一类重要组成部件。在各种物联网落地应用中（物体检测， 手势识别，车牌识别、人脸识别、自动追踪等），均需要选用大量图像传感器用于采集图像信息。根据一些业内人士的分析，在未来的物联网数据中，来自图像传感器的图像数据将成为最主要的组成部分之一。

以物联网下最热门的应用场景汽车应用为例，从当前具备联网功能的智能汽车原型车可以看到，整车仅CMOS图像传感器就配备了四个用于环视图像数据的收集，部分车型还计划配备代替后视镜的后视摄像头、用于关注乘客以及驾驶员状态的舱内摄像头等多个CMOS图像传感器应用。而随着联网智能汽车的智能化等级逐步上升，还将配备更多的图像传感器以分别针对路况、道路标识、移动物体识别等多种需求。

同样，在工业物联网应用中，CMOS图像传感器收集到的图像数据也已经作为工业智能化必须的感知基础被越来越多的企业所重视。从产品条码的扫码器，到生产线上用于产品外观检测的摄像頭，CMOS图像传感器正出现在智能工厂中越来越多的角落。

物联网应用中CMOS图像传感器面临两大挑战

此前，CMOS图像传感器主要应用在手机等消费电子领域中，因此其技术开发方向往往是依托现有的电池技术、图像处理技术等相关技术，向着更高的像素、更强大的夜景功能等方向发展。然而，在新兴的物联网应用中，CMOS图像传感器有其独特的挑战，其中最主要的挑战有两个——多样的应用场景、严苛的部署条件。

由于在物联网应用中，CMOS图像传感器被应用在多样的场景中，不同的场景往往会对传感器的性能提出独特的要求。高速运动就是其中一种常见的场景，通常出现在车联网、工业物联网的应用中。传统的CMOS图像传感器往往通过逐行曝光来获取图像数据，然而在高速运动的汽车、生产线上，逐行曝光获得的图像数据会产生非常严重的变形，也就是业内所称的“果冻效应”。

此外，不少物联网应用被部署在室外、汽车发动机附近、工作环境恶劣的工业流水线等场景中，因此，如何让CMOS图像传感器能够变得足以适应恶劣的工况，也是CMOS图像传感器厂商不得不重点考虑的技术研发方向。

同时，大部分物联网设备往往需要随时随地不引起注意地在有线、无线（电池供电）的状态下进行“全天候运作”（Always-on），如何赋能这类“全天候物联网应用”成为了图像传感器厂商的新课题。

极速上电及超低功耗，扩大CMOS图像传感器部署边界

对于物联网的系统开发者而言，仅仅将现有用于手机或者安防摄像头的CIS直接应用在物联网产品中，会遇到许多技术问题，其中最主要的问题便是功耗。因为物联网设备的使用需求，往往需要保持“全天候应用”（Always- on）的状态，而同时很大一部分物联网设备都依靠电池供电，降低CIS的耗电对于提升电池寿命十分重要。因此，如何针对物联网应用功耗敏感的特点，开发专为物联网应用设计的CIS产品，成为了横亘在CIS厂商迈入物联网领域之路上的最大障碍。

思特威前不久推出的针对物联网应用的系列CMOS图像传感器SC210IoT，搭载AEC功能，在进入休眠时会自主记忆休眠前最后的成像数据，从而大大降低下次唤醒时所需的场景数据收集和匹配数据校正时间。从而实现“极速上电启动”，平均出图时间可缩短至60～70毫秒。对于例如架设于室内外的家居型监控设备，这一功能可实现迅速响应，不错失记录片刻异常状况的发生。而另一方面，当异状消失后，摄像头将恢复休眠状态，从而实现“按需启动”，大大减少功耗。经测试SC210IoT的工作功耗仅70毫瓦，待机功耗更是小于10微瓦，有效满足物联网设备对超低功耗的需求。

应对复杂光线环境挑战，让物联网的“眼睛”日夜都清晰

随着物联网的不断发展以及智能家居市场的升温，各类家用物联网电子产品目前已经进入了快速发展阶段，对于“全天候应用”的智能家居类设备，在日夜以及室内外都需要看护的智能家居场景下，不但要在白天拥有高品质的图像获取能力，更要应对黄昏及夜晚的超低光照环境。

而且在诸如隧道、室内外交界处等环境下，图像传感器需要同时对多个光线亮暗程度差异巨大的区域进行成像。传统的CMOS图像传感器难免会出现亮区过曝或暗区无法清晰成像的问题。

针对这一成像问题，思特威推出了SC5335 CMOS图像传感器，该图像传感器使用的是业内首创的DSI像素技术，作为思特威自主研发的SmartPixel-2技术，DSI像素技术的成像性能较第一代所采用的FSI技术具有显著提升，依靠DSI像素技术带来的高灵敏度和高信噪比，能够在光线条件不利的夜间及晨昏均实现清晰成像，解决了家用监控应用中常见的夜视不清晰、“蒙雾”等成像问题，提供超低光照条件下更卓越的成像性能，也为基于清晰的图像信息下实现自动追踪移动物体等智能化物联应用提供了可靠的运算基础。今年年初在CES 2020上斩获创新类产品大奖的Swann Security Tracker摄像机搭载的正是这款CMOS图像传感器。

全局快门技术高效赋能多元化物联网应用

针对前文提到的高速运动场景，为了应对果冻效应，业内提出了全局快门的技术概念，通过所有像素同时感应光线、同时曝光，来确保传感器读出的是同一时间点的同一个画面，从根本上杜绝图像在高速运动下的变形。

思特威在2018年发布的SmartGS系列BSI全局快门CMOS图像传感器，凭借先进的BSI像素工艺结合全局快门技术，有效减少捕捉快速运动物体时常会出现的形变及运动伪影，大幅提升高速移动物体图像识别效率。

图3左图是采用全局快门技术的 SmartSens SC132GS拍摄的图片，右图是传统逐行扫描的传感器拍摄的图片，可以明显看出用传统传感器拍摄高速运动的风扇，物体会变形。并且，在有光线明暗变化的时候，拥有单帧HDR功能的SC132GS的成像不会有明暗瑕疵，足以展现更多细节。

目前，SC132GS已被广泛应用于各类智能物联网应用，包括智能人脸识别门禁系统、无现金支付扫码/扫脸设备、智能手势识别系统、智能可视门铃、智能冰箱、智能扫地机器人及智能家用婴幼监控等，更是在智能物流系统下的各类扫码应用设备中扮演着重要的角色。

人工智能+物联网，机器视觉未来可期

在物联网未来的发展趋势中，利用人工智能技术，实现智能化的物联网已经成为了最主要的发展趋势。在这一发展过程中，依托CMOS图像传感器作为感知核心的机器视觉技术发展势头迅猛。

作为一家已经在机器视觉领域崭露头角的国内CMOS图像传感器企业，思特威的理念始终是服务于应用技术的发展趋势，根据市场和应用技术的需求，将看清万物的“眼”做到极致。相信通过不断完善提升CMOS成像传感器的设计和制造能力，以此为基石的机器视觉技术在智能物联网应用的前景未来大有可期。