Когато инженерите оценяват модул на камерата, консумацията на енергия често се третира като проста спецификация, посочена в листа с данни. В действителност консумацията на енергия на модула на камерата е резултат от множество подсистеми, които работят заедно, включително сензор за изображения, ISP, буфери на паметта, високо{1}}скоростни интерфейси, часовници, регулатори на напрежение и хост процесор.
Разбирането на основните източници на консумация на енергия е от решаващо значение за системите за вградено зрение, индустриалните камери, крайните устройства с изкуствен интелект, захранваните с батерии-продукти и приложенията за машинно зрение. Лошото разбиране на поведението на мощността може да доведе до прегряване, нестабилно качество на изображението, съкратен живот на батерията и неочаквани системни повреди.
По-важното е, че много инженери погрешно приемат, че консумацията на енергия зависи директно от разделителната способност на сензора. На практика доминиращият фактор често е общата пропускателна способност на изображенията-количеството данни за изображения, които трябва да бъдат заснети, обработени, предадени и анализирани всяка секунда.
Консумацията на енергия започва с пропускателната способност на пикселите
На ниво сензор консумацията на енергия е тясно свързана с пропускателната способност на пикселите, а не само с разделителната способност.
Например:
- 2MP при 30FPS=приблизително 60 милиона пиксела в секунда
- 5MP при 30FPS=приблизително 150 милиона пиксела в секунда
- 8MP @ 60FPS=приблизително 480 милиона пиксела в секунда
Всеки пиксел трябва да бъде експониран, преобразуван от аналогова в цифрова форма, прехвърлен през схеми за отчитане на сензора, обработен от ISP, предаден през интерфейса и в крайна сметка обработен от хост процесора.
Тъй като пропускателната способност на пикселите се увеличава, почти всеки блок в тръбопровода за изображения консумира повече енергия. Ето защо 8MP камера, работеща при високи кадрови честоти, може да консумира няколко пъти повече енергия от 2MP камера, дори когато и двете използват подобни полупроводникови технологии.
Сензорът за изображения е нещо повече от пиксели
Сензорът за изображения често се разглежда като основен консуматор на енергия, но разбирането къде се изразходва енергията на сензора изисква по-дълбоко вглеждане във вътрешната му архитектура.
Съвременните CMOS сензори за изображения съдържат:
- Пикселни масиви
- Драйвери за редове и колони
- Аналогови усилватели
- Корелирани двойни схеми за вземане на проби
- Аналогово-към-цифрови преобразуватели (ADC)
- Генератори за време
- Високо{0}}скоростни изходни сериализатори
Сред тези блокове ADC и високо{0}}скоростните изходни вериги често представляват значителна част от консумацията на енергия на сензора. Тъй като честотата на кадрите се увеличава, тези схеми трябва да работят на по-високи честоти, което води до значително повишаване на динамичната консумация на енергия.
Изображенията при слаба{0}}осветеност също могат да увеличат изискванията за мощност на сензора. По-дългите времена на експозиция, по-високото аналогово усилване и усъвършенстваните HDR режими често изискват допълнителни сензорни операции, които консумират повече енергия от стандартните режими на изображения.
Защо обработката на ISP може да се превърне в най-големия потребител на енергия
В много съвременни системи за фотоапарати процесорът за сигнал на изображение (ISP) консумира толкова енергия, колкото самия сензор-или дори повече.
Суровите данни от сензора не могат да се използват директно. Преди едно изображение да достигне до приложния слой, то обикновено преминава през десетки етапи на обработка:
- Демозайка
- Автоматична експозиция (AE)
- Автоматичен баланс на бялото (AWB)
- Корекция на затъмняването на обектива (LSC)
- Корекция на дефектни пиксели (DPC)
- Намаляване на шума
- Заточване
- Корекция на цветовете
- HDR/WDR обработка
- Гама корекция
- Тонално картографиране
Много от тези алгоритми работят с всеки пиксел от всеки кадър. С увеличаването на разделителната способност и кадровата честота изчислителната сложност расте бързо.
Режимите HDR и WDR са особено взискателни, тъй като трябва да се заснемат множество експозиции и да се обединят в едно изображение. В някои приложения активирането на HDR може да увеличи работното натоварване на ISP с повече от 50%, което води до забележимо увеличение на общата консумация на енергия на системата.
Честотата на кадрите често е по-важна от разделителната способност
Много инженери се фокусират силно върху мегапикселите, като пренебрегват честотата на кадрите.
От гледна точка на мощността честотата на кадрите може да има дори по-голямо влияние от разделителната способност, тъй като пряко определя колко често трябва да работи целият конвейер за изображения.
Помислете за 2MP камера:
- 2MP при 30FPS
- 2MP при 60FPS
- 2MP при 120FPS
Удвояването на кадровата честота ефективно удвоява активността на четене на сензора, работното натоварване на ISP, честотата на достъп до паметта и изискванията за предаване на интерфейса.
Това обяснява защо високоскоростните промишлени камери често изискват активно охлаждане, дори когато техните разделителни способности са сравнително скромни.
Скритата цена на паметта и движението на данни
Един често пренебрегван източник на консумация на енергия е достъпът до паметта.
Много операции за обработка на изображения изискват временни кадрови буфери, съхранявани в DDR паметта. Всяка операция за четене и запис консумира енергия.
За визуални системи с изкуствен интелект данните за изображения могат да се прехвърлят многократно:
- Сензор към ISP
- ISP към DDR памет
- DDR към AI ускорител
- AI ускорител към процесора
- Процесор за дисплей или съхранение
В много периферни устройства с изкуствен интелект преместването на данни за изображения през паметта консумира повече енергия от самите алгоритми за действителна обработка на изображения.
Консумацията на енергия на интерфейса не е за пренебрегване
Високо{0}}скоростните интерфейси като USB 3.0, MIPI CSI-2 и Gigabit Ethernet изискват специални схеми на физически слой, работещи на много високи честоти.
Тъй като пропускателната способност на изображението се увеличава, изискванията за честотна лента на интерфейса нарастват съответно.
Например, предаването на некомпресирано 4K видео изисква значително повече мощност на интерфейса, отколкото предаването на компресирано 1080P видео. В някои системи мощността на интерфейса може да се превърне в значим процент от общото потребление на модула на камерата.
Консумацията на енергия влияе пряко върху качеството на изображението
Консумацията на енергия не е само проблем с електричеството. Той пряко влияе върху термичното поведение.
Когато температурата на сензора се повиши:
- Тъмният ток се увеличава
- Шумът в изображението става по-видим
- Съотношението-сигнал към-шум намалява
- Ефективността-при слаба светлина се влошава
- Дългосрочната-надеждност може да бъде намалена
Ето защо термичният дизайн често е неделим от избора на модул на камерата. Камера, консумираща само един допълнителен ват, може значително да повиши работната температура в компактен корпус.
Съвети за избор на модул на камерата
Вместо да избират сензора с най-висока -резолюция, инженерите трябва да започнат с изискванията на приложението и системните ограничения.
- Определете действителната плътност на пикселите, необходима на целевото разстояние
- Определете минималната приемлива скорост на кадрите
- Оценете внимателно изискванията за HDR/WDR
- Помислете за целите за времето за работа на батерията
- Оценете топлинните ограничения на заграждението
- Проверете възможностите на честотната лента на процесора и паметта
- Оценете общата пропускателна способност на изображението, преди да изберете сензор
В много приложения за вградено зрение правилно оптимизиран 2MP или 5MP модул на камера може да постигне необходимата производителност на изображения, като същевременно консумира значително по-малко енергия от алтернатива с по-висока-разделителна способност.
