Kad inženieri novērtē kameras moduli, enerģijas patēriņš bieži tiek uzskatīts par vienkāršu specifikāciju, kas norādīta datu lapā. Patiesībā kameras moduļa enerģijas patēriņš ir vairāku apakšsistēmu, tostarp attēla sensora, ISP, atmiņas buferu, ātrdarbīgas saskarnes, pulksteņi, sprieguma regulatori un resursdatora procesors, darbības rezultāts.
Izpratne par enerģijas patēriņa pamatavotiem ir ļoti svarīga iegultajām redzes sistēmām, rūpnieciskajām kamerām, AI malas ierīcēm, ar akumulatoru{0}} darbināmiem produktiem un mašīnredzes lietojumprogrammām. Slikta izpratne par strāvas padevi var izraisīt pārkaršanu, nestabilu attēla kvalitāti, saīsinātu akumulatora darbības laiku un negaidītas sistēmas kļūmes.
Vēl svarīgāk ir tas, ka daudzi inženieri kļūdaini pieņem, ka enerģijas patēriņš mainās tieši ar sensora izšķirtspēju. Praksē dominējošais faktors bieži ir kopējā attēla caurlaidspēja{1}}attēlu datu apjoms, kas ir jāuztver, jāapstrādā, jāpārsūta un jāanalizē ik sekundi.
Enerģijas patēriņš sākas ar pikseļu caurlaidspēju
Sensoru līmenī enerģijas patēriņš ir cieši saistīts ar pikseļu caurlaidspēju, nevis tikai ar izšķirtspēju.
Piemēram:
- 2MP @ 30 FPS=aptuveni 60 miljoni pikseļu sekundē
- 5 MP @ 30 FPS=aptuveni 150 miljoni pikseļu sekundē
- 8 MP @ 60 FPS=aptuveni 480 miljoni pikseļu sekundē
Katrs pikselis ir jāatklāj, jāpārveido no analogās formas uz digitālo, jāpārsūta caur sensoru nolasīšanas shēmām, jāapstrādā ISP, jāpārraida caur interfeisu un galu galā jāapstrādā resursdatora procesors.
Palielinoties pikseļu caurlaidspējai, gandrīz katrs attēlveidošanas konveijera bloks patērē vairāk enerģijas. Tāpēc 8 MP kamera, kas darbojas ar lielu kadru ātrumu, var patērēt vairākas reizes vairāk enerģijas nekā 2 MP kamera, pat ja abās tiek izmantotas līdzīgas pusvadītāju tehnoloģijas.
Attēla sensors ir vairāk nekā tikai pikseļi
Attēla sensors bieži tiek uzskatīts par primāro enerģijas patērētāju, taču, lai saprastu, kur sensora jauda tiek tērēta, ir jāiedziļinās tā iekšējā arhitektūrā.
Mūsdienu CMOS attēla sensori satur:
- Pikseļu masīvi
- Rindu un kolonnu draiveri
- Analogie pastiprinātāji
- Korelētas dubultās paraugu ņemšanas shēmas
- Analogie{0}}uz-digitālie pārveidotāji (ADC)
- Laika ģeneratori
- Ātrgaitas{0}}izvades serializatori
Starp šiem blokiem ADC un ātrdarbīgas{0}}izvades shēmas bieži vien veido ievērojamu daļu no sensora enerģijas patēriņa. Palielinoties kadru ātrumam, šīm shēmām jādarbojas augstākās frekvencēs, izraisot dinamiskā enerģijas patēriņa ievērojamu pieaugumu.
Attēlveidošana zemā-gaismā var arī palielināt sensora jaudas prasības. Ilgākam ekspozīcijas laikam, lielākam analogajam pastiprinājumam un uzlabotiem HDR režīmiem bieži ir nepieciešamas papildu sensora darbības, kas patērē vairāk enerģijas nekā standarta attēlveidošanas režīmi.
Kāpēc ISP apstrāde var kļūt par lielāko enerģijas patērētāju
Daudzās mūsdienu kameru sistēmās attēla signālu procesors (ISP) patērē tikpat daudz enerģijas kā pats sensors{0}}vai pat vairāk.
Neapstrādāti sensora dati nav tieši izmantojami. Pirms attēls sasniedz lietojumprogrammas slāni, tas parasti iziet desmitiem apstrādes posmu:
- Demosaicināšana
- Automātiskā ekspozīcija (AE)
- Automātiskais baltā balanss (AWB)
- Objektīva ēnojuma korekcija (LSC)
- Defektu pikseļu labošana (DPC)
- Trokšņa samazināšana
- Asināšana
- Krāsu korekcija
- HDR/WDR apstrāde
- Gamma regulēšana
- Toņu kartēšana
Daudzi no šiem algoritmiem darbojas katrā kadra pikselī. Palielinoties izšķirtspējai un kadru ātrumam, skaitļošanas sarežģītība strauji pieaug.
HDR un WDR režīmi ir īpaši prasīgi, jo ir jāuztver vairākas ekspozīcijas un jāapvieno vienā attēlā. Dažās lietojumprogrammās HDR iespējošana var palielināt ISP darba slodzi par vairāk nekā 50%, kā rezultātā ievērojami palielinās kopējais sistēmas enerģijas patēriņš.
Kadru nomaiņas ātrums bieži ir svarīgāks par izšķirtspēju
Daudzi inženieri koncentrējas uz megapikseļiem, vienlaikus neievērojot kadru ātrumu.
No jaudas viedokļa kadru ātrumam var būt vēl lielāka ietekme nekā izšķirtspējai, jo tas tieši nosaka, cik bieži ir jādarbojas visam attēlveidošanas cauruļvadam.
Apsveriet 2MP kameru:
- 2 MP @ 30 kadri sekundē
- 2 MP @ 60 FPS
- 2 MP @ 120 FPS
Kadru nomaiņas ātruma dubultošana efektīvi dubulto sensoru nolasīšanas darbību, ISP apstrādes slodzi, atmiņas piekļuves biežumu un saskarnes pārraides prasības.
Tas izskaidro, kāpēc liela ātruma{0}}rūpnieciskajām kamerām bieži nepieciešama aktīva dzesēšana, pat ja to izšķirtspēja ir salīdzinoši neliela.
Atmiņas un datu pārvietošanas slēptās izmaksas
Viens bieži aizmirstais enerģijas patēriņa avots ir piekļuve atmiņai.
Daudzām attēlu apstrādes darbībām ir nepieciešami pagaidu kadru buferi, kas tiek glabāti DDR atmiņā. Katra lasīšanas un rakstīšanas darbība patērē enerģiju.
AI redzes sistēmām attēlu datus var pārsūtīt vairākas reizes:
- Sensors ISP
- ISP uz DDR atmiņu
- DDR uz AI paātrinātājs
- AI paātrinātājs uz centrālo procesoru
- CPU displejam vai uzglabāšanai
Daudzās malas AI ierīcēs attēla datu pārvietošana atmiņā patērē vairāk enerģijas nekā paši faktiskie attēlu apstrādes algoritmi.
Interfeisa enerģijas patēriņš nav nenozīmīgs
Ātrgaitas{0}}interfeisiem, piemēram, USB 3.0, MIPI CSI-2 un Gigabit Ethernet, ir nepieciešamas īpašas fiziskā slāņa shēmas, kas darbojas ļoti augstās frekvencēs.
Palielinoties attēla caurlaidspējai, attiecīgi palielinās saskarnes joslas platuma prasības.
Piemēram, lai pārraidītu nesaspiestu 4K video, ir nepieciešams ievērojami vairāk interfeisa jaudas nekā pārsūtot saspiestu 1080P video. Dažās sistēmās interfeisa jauda var kļūt par nozīmīgu procentuālo daļu no kopējā kameras moduļa patēriņa.
Enerģijas patēriņš tieši ietekmē attēla kvalitāti
Enerģijas patēriņš nav tikai elektriska problēma. Tas tieši ietekmē termisko uzvedību.
Sensora temperatūrai paaugstinoties:
- Tumšā strāva palielinās
- Attēla troksnis kļūst redzamāks
- Signāla-un-trokšņu attiecība samazinās
- Zema-gaismas veiktspēja pasliktinās
- Var samazināties{0}}ilgtermiņa uzticamība
Tāpēc siltuma dizains bieži vien nav atdalāms no kameras moduļa izvēles. Kamera, kas patērē tikai vienu papildu vatu, var ievērojami paaugstināt darba temperatūru kompaktā korpusā.
Padomi kameras moduļa izvēlei
Tā vietā, lai izvēlētos augstākās{0}}izšķirtspējas sensoru, kas pieejams, inženieriem jāsāk ar lietojumprogrammu prasībām un sistēmas ierobežojumiem.
- Nosakiet faktisko pikseļu blīvumu, kas nepieciešams mērķa attālumā
- Definējiet minimālo pieņemamo kadru ātrumu
- Rūpīgi novērtējiet HDR/WDR prasības
- Apsveriet akumulatora darbības laika mērķus
- Novērtējiet korpusa termiskos ierobežojumus
- Pārbaudiet procesora un atmiņas joslas platuma iespējas
- Pirms sensora izvēles novērtējiet kopējo attēla caurlaidspēju
Daudzās iegultās redzes lietojumprogrammās pareizi optimizēts 2 MP vai 5 MP kameras modulis var sasniegt nepieciešamo attēlveidošanas veiktspēju, vienlaikus patērējot ievērojami mazāk enerģijas nekā augstākas-izšķirtspējas alternatīva.
