图像传感器选型黄金三大标准，工程师必知！

要成功设计和开发需要图像传感器的设备，了解选择标准的复杂性和细微差别至关重要。设计人员需要从众多参数中进行选择，例如分辨率、像素大小、像素类型、帧率、快门类型、光学格式、功能特性等。选择标准分为三大类：成像性能、产品/系统参数、工具和其他标准，第一篇文章介绍了成像性能，本文将继续介绍产品/系统参数、工具和其他标准。

产品/系统参数

决策过程中的另一个重要因素是传感器本身的功能。这些功能不一定与成像功能有关，而是更多地体现在系统层面，可增强整体功能并有利于应用。

运动检测

图像传感器不断检测光线及其变化，因此能够在基础层面上检测运动，这对许多应用非常有用。通常这一功能由处理器完成，但在传感器上也能高效实现。虽然运动检测不能识别或分类物体，但只需检测运动的存在即可在特定场景中发挥作用。通过传感器采用合适的架构，在检测到运动之前可以保持低功耗模式，从而节省功耗并优化电池寿命。此外，它还能提供更可靠的检测并减少误报。

举例来说，门铃摄像头可以检测运动，在有人敲门时开始录像，并可通过手机应用程序或铃声提醒房主。另一种情况是汽车（例如特斯拉）内置运动传感器，可以检测附近的物体，并在发生非法闯入时自动录制画面。这些只是传感器内置功能如何优化系统性能的一些简单示例。


图 1. 无运动情况下的超低功耗电池驱动摄像头

图1展示了安森美（onsemi）的微型Hyperlux LP 4K图像传感器AR0830。该传感器内置了运动检测和超低功耗（ULP）模式。图1中屏幕上的方框标记表示，传感器可以编程为仅检测用户和/或系统指定的运动，并可以屏蔽掉与不需要监控区域相对应的方框。这一内置功能无需单独的处理器来执行运动检测。


图 2. 检测到运动情况下的超低功耗电池驱动摄像头

在低功耗模式下，安森美的图像传感器使用VGA分辨率（这是一个示例，但具有高度可配置性）和每秒1帧的帧率，这足以在不消耗太多功耗的情况下捕捉感兴趣区域的运动。一旦传感器检测到预定义感兴趣区域内的任何运动，它会自动切换到图2所示的全4K分辨率，并以每秒30帧的帧率进行录制。这一功能降低了系统功耗，并可将电池寿命延长多达50倍。

可扩展的功耗设计

另一个重要的系统参数是传感器的功耗设计，它可以根据分辨率和帧率等因素提高或降低传感器的整体性能。例如，手机摄像头中的图像传感器通常处于关闭状态，摄像头本身处于待机模式，直到需要拍摄照片或视频时才会启动。在这种情况下，低功耗模式的需求并不那么迫切。

相比之下，监控摄像头会一直处于开启状态，因此在未侦测到运动时应采用低功耗模式。在不需要时关闭传感器的某些元件和功能，仅在检测到信号时再将其开启，可以有效降低功耗。

智能兴趣区域功能

试想一下，视频会议的画面中会出现多个人。除了对会议中的每个人进行固定对焦外，摄像头还可以配备智能兴趣区域功能，识别主要发言人并自动对焦。如果在 SoC（Sytem-on-Chip，系统芯片）处理器上实现这一功能，可能需要大量的处理能力、内存和时间。而传感器可以轻松集成这一功能，并输出由SoC定义的图像。


图 3. 集成灵活、实时智能兴趣区域的传感器

安森美的 Hyperlux LP 图像传感器系列中， AR2020 提供了这一功能。如图 3 所示，这款 2000 万像素的传感器能够识别并聚焦于正在说话的人。它配备了缩放和裁剪功能，可以实时缩放和裁剪画面，生成 VGA 分辨率的图像。这些功能还支持用户自定义，可以根据具体应用的需求进行定制。总体而言，这一功能不仅提升了处理速度，还将处理功耗降低了多达 15 倍。

这一功能的优势在于，SoC 无需实时处理 2000 万像素的数据并占用大量内存，从而节省了处理时间和功耗。如果将这一功能集成到传感器中，可以显著提升系统性能，而且无需外部处理器。

安森美新型图像传感器系列

图像传感器厂商必须了解具体应用、客户的需求和痛点，才能设计出具有适当功能的传感器。因此安森美最近推出了四个具有不同功能的新图像传感器系列，以满足各种成像应用的需要。

• Hyperlux LP：该系列传感器功能丰富，具有低功耗模式，是门铃摄像头、家庭安防、电池供电摄像头、机器人、视频会议等用途的理想之选。

• Hyperlux LH：这些传感器具有 120 dB的超高动态范围和卓越的弱光性能，适用于室内/室外安防摄像头、机器人和光照条件苛刻的应用。

• Hyperlux：这些传感器具有最高 150 dB 的动态范围和 LED 闪烁抑制技术，非常适合专业安防、汽车及其他应用场景。

• Hyperlux SG：这些基于全局快门的传感器具有卓越的快门效率、板载自动曝光和可编程兴趣区域（ROI） ，适用于扫描、生物识别和类似用途。

没有任何一款传感器能够完美适用于所有应用场景，因此安森美开发了一系列具备不同功能的传感器，以满足多样化的需求。这四个系列的图像传感器共包含 11 款产品，每款都具有独特的功能和特性，能够满足广泛的应用需求。 

无论是用于人类视觉还是机器视觉与机器学习，无论是工业还是商业领域，安森美的全新系列图像传感器都能为各种应用场景提供最佳解决方案。

工具和其他资源传感器选型的一个关键但经常被忽视的部分是其工具、支持和其他无形资源。这些都是传感器本身、成像性能和产品系统参数之外的考虑因素，有助于优化传感器的性能和效率。

功能安全

在许多依赖传感器检测和对外部刺激做出反应的成像应用中，功能安全至关重要。在汽车、工业自动化和医疗设备等关系到生命和健康的应用中，这一特性尤为重要。在传感器设计中加入冗余和故障检测功能有助于提高系统可靠性，降低故障风险。

功能安全系统必须遵守严格的标准，如用于汽车应用的 ISO 26262 或用于机器人和工业应用的 IEC 61508。这些标准规定了开发安全系统的要求和准则，并确保系统在设计、生产、运行、维护和停运过程中的可靠性。

可靠性

图像传感器在许多应用中至关重要，因此其可靠性极为重要。传感器的使用寿命必须与其所安装的设备或产品一样长甚至更长。设备的工作周期也会影响传感器的可靠性和性能。 

例如，手机摄像头每天可能只使用几分钟，而安防摄像头可以全天候运行。传感器的工作条件及其暴露于外部环境因素（如温度、湿度、灰尘和振动）的程度也会影响其可靠性。

生态系统合作伙伴的重要性

有远见的传感器厂商应与其他生态系统合作伙伴（如处理器供应商）紧密合作，以优化传感器的性能和与不同系统的兼容性。这些合作对于开发满足客户需求并为其应用带来价值的完整解决方案至关重要。传感器可能具有最佳功能，但如果与处理器（通常是 SoC / FPGA）不兼容，则可能无法达到预期效果或满足应用要求。

传感器厂商与 SoC / FPGA 厂商之间的早期协调可以有效应对图像传感器开发中更具挑战性的驱动程序和调校问题。

光学器件是影响图像传感器性能的另一个关键因素。与镜头制造商合作有助于优化传感器的性能，确保其满足特定的应用要求。有了合适的生态系统合作伙伴，传感器厂商就能为客户提供完整的解决方案，最大限度地提高传感器的性能和效率。

可用性和供应链

在设计产品时，需要考虑可用性和供应链因素。产品的生命周期从几个月到几年不等，而传感器需要在整个生命周期内可用。供应链也必须灵活可靠，以确保在需求波动和经济条件变化的情况下仍能持续供应传感器以满足生产需求。安森美非常重视工业和汽车领域的客户，并确保产品的使用寿命，以满足应用生命周期和可用性要求。

全球支持、文档和开发工具

适当的支持、文档和开发工具对产品的成功至关重要。传感器厂商如果能提供出色的客户支持和全面的文档资料，就能帮助设计人员省时省力地了解传感器的特性和功能。评估板和软件开发工具包 (SDK) 等开发工具也有助于快速评估传感器的性能并将其集成到产品设计中。安森美还开发了一个名为高级图像传感器模块参考设计 （Premier Reference Image Sensor Module，PRISM）的专用系统，以加速设计阶段。

可扩展性与系列化方法

可扩展性是选择图像传感器时需要考虑的另一个重要方面。随着产品的发展和需求的变化，拥有不同分辨率、功能、结构和性能的传感器系列可以灵活地适应新的要求，而无需重新设计整个系统或学习全新的传感器。这种方法还可以节省成本和时间，因为每次产品升级需要新传感器时，都无需从头开始。

在快速发展的图像传感器领域，理解技术能力与实际应用之间的微妙平衡对于创新和成功至关重要。图像传感器技术的进步为各行各业带来了无限的可能性，从汽车到安防、医疗健康、制造等领域均有广泛应用。 

在设计产品或系统时，必须考虑适当的选择标准和因素，以最大限度地提高传感器的性能、效率、可靠性以及与其他元器件的兼容性。图像性能、产品或系统参数以及其他因素，如功能安全、可靠性、生态系统合作关系、可用性和供应链、支持和文档、可扩展性和系列化方法等，都是有助于开发有效、高效和面向未来的成像解决方案的关键要素。通过优先考虑这些因素，像安森美这样的传感器厂商可以为客户不断变化的多样化需求提供最佳解决方案。

随着技术的不断进步和新应用的不断涌现，图像传感器在塑造我们的世界和推动创新方面仍将发挥至关重要的作用。因此，无论您是在设计安防摄像头还是在开发自动驾驶汽车，图像传感器的选择标准仍将是取得成功和创造安全、高效、可靠产品的关键。

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