智能感知技術推動汽車、機器視覺、邊緣人工智能的發展

安森美半導體

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用市場。

安森美半導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，且技術領先行業并持續創新，是至關重要三大應用領域成像方案的市場領袖，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、安森美半導體的汽車感知陣容

圖2所示為安森美半導體全面的汽車智能感知陣容，打破了行業間的壁壘，滿足客戶全方位需求。在視覺和感知應用方面，安森美半導體有100萬、200萬、300萬、400萬像素的片上系統。在ADAS（先進駕駛輔助系統）和自動駕駛方面，安森美半導體的寬動態技術能夠達到140dB，目前半導體行業120dB的產品居多。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，甚至直接關乎能否識別。

安森美半導體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。艙內應用快速發展，如駕駛員監控系統，安森美半導體擁有全系列的圖像傳感產品，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，安森美半導體把傳感器的處理單元稱為SPU（Sensor Processing Unit），目前產品可以支持100萬、200萬、300萬像素的處理。

作為汽車圖像傳感器供應商，安森美半導體提供感知+視覺的整體方案，具備汽車所有攝像機種類，完整的產品平臺從130萬像素至1200萬像素，通用的高動態范圍（HDR）和抑制LED閃爍（LFM）的傳感器架構滿足需求，且具備10多年汽車ADAS方案技術領先的經驗。另外，公司的Clarity+選項配置實現感知與人類視覺同步，是一個攝像機提供視覺和感知系統集成的技術，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），其世界首顆含網絡安全的圖像傳感器已量產。圖3給出了2016年及2018年安森美半導體在汽車成像和感知攝像機領域的全球市場分額[1]。

1、最大化動態范圍至關重要

高動態范圍（HDR）指一個圖片上亮和暗的比差。在汽車應用中，最大化動態范圍至關重要。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，提升安全性。安森美半導體成像方案的HDR達140dB，高過競爭對手的120dB。

2、LFM技術解決LED閃爍

LFM對整車廠是非常大的挑戰。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。安森美半導體的LFM技術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+實現感知與人類視覺同步

安森美半導體的核心技術Clarity+實現感知與人類視覺同步。現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。安森美半導體的近紅外+（NIR+）像素技術增加約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所示為安森美半導體近紅外+（NIR+）像素技術。

5、全局快門全球第一

曾主要用于工業掃描的全局快門技術也會應用到汽車上，特別是在駕駛員疲勞監控方面。安森美半導體在全局快門領域是全球第一。圖5所示為安森美半導體全局快門技術。

6、8000多種失效模式注入芯片以鑒別芯片的可信度

自動駕駛的首要關鍵是功能安全，圖像傳感器本身的線路失效可能出現短路、信號削弱等問題，安森美半導體將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，和路況沒有任何關系。此外，還專門開發了安全手冊供客戶參考。

四、汽車圖像感知發展方向

汽車圖像傳感器市場在迅速增長，主要應用于先進駕駛輔助系統（ADAS）、艙內攝像機、視覺攝像機、攝像機監控系統（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，節省5%～10%的能源。未來汽車圖像感知發展方向主要包括：

（1）車外的人工視覺，包括環視、后視，這是供人看的；

（2）車外的機器視覺，包括ADAS、自動駕駛；

（3）艙內監控在迅速擴展，包括駕駛員疲勞監控、疾病檢測、情緒/生理檢測，安全氣囊精準調整、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，如調整艙內溫度、聽廣播、打電話等都可以用手勢來操作。除了對駕駛員的監控，還有對乘員的監控，如機器人出租車（robot taxi）的很多功能都需要艙內監控，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用。

而汽車圖像感知產品的發展方向則朝向不同技術的融合，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，在汽車上的應用也會越來越多。安森美半導體的NR4401是市場首款具4個同步收發器Tx的產品，能以單個器件支持短/長距，減少物料單（BOM）器件數，降低成本，可靈活配置和擴展。圖6為NR4401的內部結構圖。

（2）LiDAR和成像的融合

安森美半導體的FuseOne是目前市場上首款達到車規的LiDAR。它結合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，從而使固態雷達成為現實。

五、增長的機器視覺市場

在人工智能興起的浪潮下，工業機器視覺和Edge AI越來越受重視。除了傳統工廠自動化、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、增強現實/虛擬現實/可穿戴、安防/監控等領域。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。

安森美半導體同時具備CMOS和CCD圖像傳感器技術，憑借全方位的產品陣容及領先的產品性能優勢，成為工業機器視覺的領袖。

（1）XGS系列在機器視覺領域遙遙領先

在機器視覺領域，安森美半導體的競爭優勢有產品范圍、尺寸、幀速、性價比、性能及應用支援。公司推出的曾轟動業界的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，為要求嚴格的工業應用提供高性能成像和簡化的升級。現在的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，采用3.2μm全局快門CMOS設計，降低了設計尺寸，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（ITS）、廣播成像、智能零售、機器人等應用的理想選擇。更為重要的是，XGS系列是目前市場上唯一在29mm×29mm設計尺寸內達到1600萬像素的產品。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，用于機器視覺和高端安防極具優勢。

（2）KAI-50140 CCD圖像傳感器：結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，匹配現代智能手機顯示屏，提供世界一流的圖像均勻性和成像質量，實現更高效的智能手機顯示屏檢測，可擴展到重要的檢測、監控應用如關鍵的生產線終端檢測（平板檢測）、廣域監控、航拍等，可利用現有攝像機設計以簡化升級。

六、應對邊緣設備更智能、更低功耗的需求

物聯網（IoT）將涉及大量的邊緣設備，需要由FOG節點將處理后的數據進行聚合，進而發送到云端，然后從云端再發送最終的指令經由FOG到邊緣設備。未來邊緣設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設計，可很好地應對這需求，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。

安森美半導體目前正開發下一代用于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，確保有效的夜間成像，典型應用是家中的監控攝像機。

七、深度測量的探索

1、Super Depth深度映射技術

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、結構光、飛行時間（ToF）、Super Depth和雷達五種技術。安森美半導體的Super Depth技術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

安森美半導體將把圖像傳感技術融合到LiDAR的開發上，把激光雷達矩陣化，變成圖像。Pandion（圖8）是安森美半導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。固態光源Flash可感知3m內的深度，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。區別于傳統的點云（point cloud），Pandion已形成了圖像。0.1 lux的環境光肉眼幾乎看不到，但是通過Super Depth技術就可看到。

八、總結

安森美半導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、工業機器視覺、Edge AI等至關重要領域成像方案的市場領袖，憑借技術領先、悠久的創新傳統和持續投入走在行業的前端，并積極開發生態系統。同時深耕中國市場，匯集專業技術和銷售人才服務客戶。