视频解读安森美半导体最新图像传感技术

近日，安森美半导体在北京召开了媒体交流会，安森美半导体智能感知部全球市场及应用工程副总裁易继辉就安森美半导体的智能感知产品方案和发展策略做了深度的分享。EETOP应邀，出席了此次交流会。


多传感器融合发展将是行业大趋势
 
安森美半导体总共有三个产品部门，即：电源方案部（PSG）、模拟方案部（ASG）和智能感知部（ISG），其中，智能感知部门的是由图像传感器部门（Image Sensor Group）更名而来，这是2018年的一个重要调整。智能传感器、深度感知、传感器融合，是感知未来发展的三个趋势。基于此，易继辉说：“不同于传统公司主攻某个领域的发展策略，安森美的战略布局是如何提升综合能力，达到综合能力的极致，以宽广的产品阵容满足客户全方位的需求，而不是满足于在某一个领域做到极致。现在我们是全球唯一一家拥有所有感知技术的公司，打破了行业间的壁垒。”
 
智能感知的终端市场有很多，包括航空国防、科学研究、医疗等，安森美半导体的市场主要聚焦在汽车、机器视觉、边缘人工智能这三大方向上，所提供的技术、产品和能力主要也是针对这三个市场。据介绍，在至关重要的应用领域，比如汽车自动驾驶、工业机器视觉、边缘人工智能等，安森美半导体的成像方案一直都是市场的领袖。在超声波行业，2018年，安森美半导体占60%的市场份额。而为了进一步拓宽产品线，2017年，安森美通过购IBM海法研究小组（IBM Research Haifa Lab）在以色列的毫米波研发中心，拓宽了毫米波雷达产品方案；2018年5月，通过收购爱尔兰 SensL Technologies公司，拥有该公司最核心技术之一SPAD（单一光电雪崩二极管），该产品具有非常高的感光效应，具有上百万、上亿的感光倍数。易继辉说：“目前，安森美半导体是全球唯一一家提供全方位智能感知功方案的供应商，包括超声波、成像、毫米波雷达、激光雷达和传感器融合。“
 
针对安森美半导体在毫米波雷达和激光雷达两个领域的产品进展及在中国的发展布局，以及安森美半导体的融合发展战略，EETOP特别做了采访和交流。易继辉回答说：“安森美半导体非常看好中国市场，特别是汽车行业。中国这些年发展特别快，对新技术新产品特别热情，且很愿意接受新鲜的东西，也由此，国内的技术更新换代比国外快的多，一辆新车从设计到开发到最后上市有可能只需要两到三年，但国外则至少需要三到五年。就雷达相关的产品，安森美半导体其实现在还没有量产的产品，还处于评估阶段。产品不一定要一次到位，可以五次，总比三次最后的结果要好。”安森美半导体的销售额一直以业界平均两倍以上增长率在增长，并且持续了很多年。这样的成绩跟安森美半导体成功的战略和长期部署有关，技术上要领先，就一定要有创新。易继辉相信，传感器融合发展将会是安森美半导体未来的一个优势。各行业单一的感知已经很难再有太大的创新，安森美半导体在做的就是主动地把它们融合起来。
 
安森美半导体最先进的图像传感器技术
 
智能感知已经不似传统的图像传感。传统的图像传感技术很大程度依靠手机开发出来，因为手机原来图像传感器用得非常多。随着自动驾驶、机器视觉、边缘人工智能这三大领域的应用推进，很多新技术是先被开发出来，后被运用到手机里。这就给图像传感器带来了诸多的技术挑战。首先是像素，通常人眼仅能够鉴别1600万像素左右，再高对于人眼也没有区别。但是智能传感对于像素识别几乎没有边界。一个很大的趋势，随着人工智能对像素分辨、理解和判断能力需求的提升，图像传感器对于像素识别要求也越来越高。其次，最大化动态范围至关重要，现在宽动态已经不光局限在汽车应用上，还延伸至边缘人工智能和工业领域。再有，网络安全现在越来越重要，从最底层的元件就需要做到，不仅保证性能可靠，更要保证功能安全，做到可信。下文，将重点为大家分享安森美在图像传感器方面的最新技术及产品方案。
 
芯片堆栈技术引领图像传感器无限创新可能
 
图像传感器是整个半导体行业复杂程度最高的技术。它主要是将光子和电子二者结合，把光转换成电，再把电转换成光，这里面包含了很多前沿技术。安森美半导体是现代图像传感器的创造者，其图像传感器部拥有2000多项成像专利和成像专业知识，传感器阵容丰富，供应链强大。
 
易继辉介绍说，安森美现在已经可以做到两个芯片堆栈，并已经在批量生产。接下来还会做三个芯片堆栈的量产，以后还可以把一些处理器和存储器都直接加载到图像传感器里面。易继辉具体为大家演示了安森美一款SPU神经网络芯片AP0300，它是一款完整的图像信号处理器，拥有领先于市场的图像处理管线，采用clarity、HDR、空间转换处理，内置有神经网络处理核。无需DRAM，无额外闪存，是新的小型智能摄像机类别。
 
最大化动态范围至关重要

宽动态最早是满足汽车应用的需求，现在宽动态已经不光局限在汽车应用上，还延伸至边缘人工智能和工业领域。简单来说，宽动态是指一个图片上亮和暗的比差。很典型的一个应用是，用手机从室内拍摄窗外的时候，一般室外景物拍摄清晰时但室内拍摄效果却是一片漆黑，若保证室内清晰窗外效果就一片空白，原因就是手机的宽动态不够。第二个应用是夜间行车，特别是遇到相向而行的车开启大灯的时候。在宽动态102dB的情况下，可以看到路边行人的轮廓，那人工智能就可以判别有行人。但如果宽动态在90dB或80dB，人工智能算法就没有办法判断这是人，甚至看不到这个实体的存在。所以，宽动态汽车在应用中非常重要。易继辉重点分享了安森美的近红外+（NIR+）像素技术、LFM（LED Flicker Mitigation）技术和全局快门技术。
 
近红外+（NIR+）像素技术原来在安防领域最先开发，而后应用到汽车领域。汽车在夜间行驶时对近红外的要求非常高。安森美现在开发的产品的近红外频段在大约850纳米至940纳米之间，增加了约4倍的近红外灵敏度。感光度提高有2个好处：第一，如果感光度低，低照度就不好，捕捉信号的效果就不完整；第二，如果感光度低，可能要用LED来补光，大功率的LED会产生非常大的功耗。近红外灵敏度提高，首先可以省电，再者可确保信号捕捉的全面，提升信号清晰度。据称，这项技术在汽车应用上也会越来越广泛。


LFM技术即LED防抖技术。因为LED在闪烁的时候，频率都不一样，几乎没有一个业界标准。比如，红绿灯，如果摄像机的频率和红绿灯的频率不吻合就捕捉不到信号。所以，在汽车，LFM对整车厂而言是非常大的挑战。安森美目前的技术可以在获取信号后从软件分析延迟（Latency）和功耗，并传感器硬件上直接解决问题。
 
领先的全局快门性能。现在整个图像传感器有两个不同的技术：一个叫做卷帘式快门，一个是全局快门。全局快门就是一次性即时捕捉所有的信号，而卷帘式是一行一行的扫描，从第一行到最后一行，中间会有时差。所以当拍摄高速运转情况下的物体时，图像就会显示变形。但如果采用全局快门，拍摄出的效果非常清晰。安森美在工业扫描行业，七八年前已经超过60%的市场占有率，就得益于此技术。目前，安森美的全局快门技术已经发展至第八代。和竞争对手相比，至少超过他们的两代技术。易继辉介绍说：“之后该技术也会应用到汽车上，特别是在驾驶员疲劳监控方面。”
 
网络安全功能及防黑客攻击

网络安全是大家普遍关注的问题。网络安全跟图像传感器也是有关系的，而且存在非常大的潜在风险。尤其是在自动驾驶中，功能安全的保障也至关重要。功能安全就是要做到可信。据预测，关于网络安全的国际标准，到今年年底就会出来。
 
安森美会把生产的芯片交给全球知名的一家反黑客公司，让他们去做入侵测试。易继辉介绍，仅仅一礼拜的时间内，该公司就找到了十几种入侵方法。安森美跟客户在几年前就已经在研究此类状况，并且2018年年底就特别推出了一款800万像素的具有网络安全功能的图像传感器。
 
此外，整个自动驾驶系统，现在故障率单位标准是100FIT（Failure in Time）。对于子系统可以允许故障率单位标准是10FIT，对传感器就是1FIT，这是非常高的要求。要实现这样的要求，一是通过工程判断，做一些分析模拟来避免这些风险，判断它是否会有一些高风险，以及什么样的风险。二是通过路上测试，现在很多自动驾驶汽车，在各个国家，包括国内北京、上海、深圳、广州，都发了路测执照。但路测再久也不能保证100%万无一失，总有遇到特殊情况或者极端情况。安森美半导体在很多年前跟欧洲整车厂开始做功能安全时，采取的方法是把所有故障全部分析出来，再把这些故障注入到芯片，让它产生这些故障，以鉴别芯片的可信度。目前已经做到大概超过8000个失效模式。这8000种模式是图像传感器本身的线路失效可能出现的问题，包括短路、信号削弱，与自动驾驶和路况没有关系。主要是起到保证功能安全的作用，让元器件可对它的线路进行自检以提供完整、准确的信息。易继辉进一步说到：“当然，目前这个工作还在继续，如果还有新模式，我们都会加进去。”
 
图像传感器在汽车领域的应用
现在汽车应用的发展主要在这三个方向：一是车外的人工视觉，包括环视、后视，这是供人看的；二是车外的机器视觉，包括ADAS、自动驾驶；三是舱内监控，除了传统的驾驶员疲劳监控之外，还有疾病检测、情绪/生理检测，安全气囊精准调整、人机互动（Human Machine Interaction）、虹膜识别(Iris Detection)和人脸识别等。人机互动，包括手势识别功能，如调整舱内温度、听广播、打电话等都可以用手势来操作。除了对驾驶员的监控，还有对乘员的监控，比如robot taxi（机器人出租车）的很多的功能都需要舱内监控，包括安全带提醒、儿童在场检测、物体检测和宠物检测等。这都是未来自动驾驶会涉及到的一些应用。
 
现在汽车智能感知元器件越来越多。目前启用启动驾驶的车辆拥有9个图像传感器，而下一代正在开发的图像传感器已经超过12个，还有接近20个正处于研发阶段。同时还配备有10个雷达，至少2个超声波，将来也会配置至少1个激光雷达。所以，现在汽车的感知能力已经比驾驶员更强。驾驶员的视线范围一般只能覆盖前方180度，加上余光，可能超过200度，而汽车智能具有360度感知能力。另外，驾驶员可能会有几毫秒的精力分散情况，而智能感知可以全时候地跟踪、检测和计算。感知技术搭配人工智能，未来自动驾驶和智能驾驶一定会比人类更可靠、更安全，只是现阶段技术还尚未成熟。
 
易继辉介绍说，安森美半导体是一家专业的汽车半导体公司，提供汽车感知（Sensing）和视觉（Viewing）总体的解决方案。安森美半导体的核心技术Clarity+能够把汽车视觉和感知摄像机技术结合。现在市场上人工视觉使用一个相机，机器视觉使用另外一个相机，而安森美半导体的相机既能做到机器视觉信号又能提供人工视觉信号，这是系统集成的一项技术。
 
根据第三方市场调研公司的数据，安森美半导体在汽车视觉和感知摄像机这两个领域，2016年占总体50%市场份额。如果只看机器视觉（即感知摄像机），市场份额占比超过了60%。2018年，Viewing和Sensing占总体市场份额62%，如果只看机器视觉（ADAS+自动驾驶）已经超过80%的市场份额，比所有竞争对手市场份额的加和还要大。在整个行业内，安森美可提供最完整的系列产品，产品的性能和功能都处于行业领先，比如满足各个级别的像素需求（130万像素至1200万像素等），高端摄影机里面的宽动态技术如今也被应用到汽车领域。到目前为止，已经有超过4亿个汽车摄像机使用安森美半导体的图像传感器在路上跑，而且安森美的产品质量也是有口皆碑的。
 
技术领先在于不断创新和持续投入，市场领先在于合作和生态发展
 
安森美半导体可以提供全方位的智能感知方案，其中主要发力于汽车、机器视觉、边缘人工智能这三大市场。在汽车领域，既有CMOS图像传感器，又有CCD图像传感器，可达到上千万的VGA(Video Graphics Array，视频图像分辨率)；在工业机器视觉领域，业界规模最大的两家是安森美半导体和索尼，安森美半导体可提供从低端、中端一直到高端所有产品系列，且有很强的应用支持，其中安森美半导体的PYTHON系列是目前市场上唯一一家在29×29mm设计尺寸内做到1600万像素的产品；在边缘人工智能领域，随着人工智能的发展，智能机器人需要具有空间感，目前深度映射技术有五种方法：立体视觉、结构光、飞行时间、Super Depth和雷达，安森美半导体的技术就是只需要一个摄像头，一个芯片，在不需要任何补光的前提下，就可以同时提供彩色图像和深度图像。
 
除了在技术和产品上不断在做创新外，安森美半导体在市场战略上，也有自己的一套做法。现在，同行友商都在逐渐淡化和代理公司的合作，而安森美半导体却一直致力于维持与代理公司的紧密合作关系，他们把这作为公司一个很重要的战略方向。此外，建立汽车生态系统合作伙伴关系对安森美半导体也非常重要。安森美半导体有专门的团队开发生态系统合作伙伴，与图像传感器，或者是激光雷达有关系的友商、供应商，都会开展深入的合作，建立合作生态系统。该系统分为三个层面：第一个层面是保证在产品上能够对接，即新开发的产品能够和合作伙伴的新产品对接；第二个层面是在产品线路图上能够对接，即新产品的线路图能够与友商的下一代新产品的线路图对接上；最深层次的就是产品的概念上的契合，即在产品定义之前就跟友商、合作伙伴一起研究如何对新一代产品作优化。