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从多功能摄像机多摄智能手机走向人工智能机器 CMOS图像传感器迎来复兴

By 2019年10月11日 1月 2nd, 2020 No Comments

被称为“手机之眼”的CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,简称CIS)如今迎来了复兴时期。在2019年IFA中,LG电子揭示了其全新LG V50S ThinQ 5G手机,而三星电子也同时亮相其首款Galaxy Fold折叠式手机。另外一些主流品牌产品也同样非常活跃,例如索尼Xperia 5发布了6.1英寸OLED显示屏和21:9屏幕;HMD Global则宣布新款诺基亚6.2和诺基亚7.2模型。同时,在不久前的9月份,苹果推出全新iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max, 其首款三摄镜头可拍摄高达60fps的影片以及120fps的慢动作影片。去年,华为推出全球首款四摄手机“P20 Pro”,三星电子、LG电子也相继亮出采用Penta(五颗)摄像头的手机。今年,市场上更是出现了搭载六颗摄像头的智能手机。这带动了智能手机市场对CIS的强烈需求,同时也让各大企业围绕高新技术制高点展开激烈角逐。

超越物理极限 多功能摄像机步入鼎盛时期

摄像头功能是消费者选购智能手机的重要因素之一。然而,最近随着全面屏(hole-in display)和刘海屏(notch-display)等大屏手机成为主流,手机摄像头模块模组小型化愈加重要。为此,图像传感器和像素尺寸也需要相应变小。

图像传感器的性能取决于其所能接收的信号数量和质量。,因此,扩大相同同样面积内像素所接收的信号量已成为业界亟待解决的课题。随着手机屏幕日趋变大以及手机摄像头模块模组的小型化,对于模块模组中可储存像素量的要求也越来越高。然而,问题是如果手机摄像头模块模组变小导致了,其像素尺寸的会缩小,能吸收的光量也随之降低随之变少,最终影响导致图片画质降低。同时,我们又无法通过加大芯片尺寸来提高像素数量。可如果因此而提高像素数量,又会让模块模组变大,确实面对如此是一个两难境遇的选择时,。此时需要一种超越物理极限的技术亟需应运而生,即在缩小像素尺寸的同时实现高清摄像功能。

根据上述情况,相比减少像素数量,超高清分辨率已然成为设备提高画质的更核心要素。在近期的市场中,不乏出现各种具有超高清分辨率摄像头的智能手机,这类手机的前后置摄像头可分别容纳高达2,000万和4,000万像素。如今,小米全新Mi Mix Alpha 5G是市面上拥有最高像素摄像头的智能手机,其带有的图像传感器可容纳1.08亿像素。

目前市面上的图像传感器中,像素尺寸最小为0.7至到0.8微米,像素数量最高达1.08亿。据预计,0,7微米图像传感器将于2020年开始进入大规模生产。

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图像传感器主要运用在是智能手机和车辆摄像头等各类设备。它是将透过摄像机镜头进入的光线转换成电信号的半导体器件,其工作原理与照相机胶卷或是人类大脑的视觉处理机制相同。像素是组成CIS的单元,每个像素在接收到不同强度的光线后,会将此电子信号发送出去,而这一电子信号将被转换为红、绿、蓝三种颜色,由此生成组合的红绿蓝RGB电子图像。作为一个核心器件,主要用于智能手机和汽车摄像头等多种设备。

从DRAM到人工智能 尖端技术争夺战一触即发打响

为了让摄像机更加小型化、尖端化,业界不断创新技术。 目前已有图像传感器与存储器半导体技术相结合的DRAM配置技术问世。该技术将DRAM置于图像传感器与应用处理器之间,用来存储庞大的Frame Data,大幅提升数据处理速度,确保高速成像无扭曲。搭载该项技术的高速摄像机不仅用于日常生活,还能广泛应用于汽车领域,捕捉高速行驶车辆的运动轨迹。据预测,2023年,L4级以上自动驾驶汽车将配备十颗以上的摄像头,汽车电子市场对图像传感器的需求有望进一步扩大。

高端尖端传感器领域的竞争现已达到了史无前例的也非常激烈程度。苹果、三星电子、LG电子、华为、诺基亚等全球智能手机厂商纷纷在其旗舰手机产品中搭载3D传感器。3D传感器的优势在于非触控操作,即可以通过感应手或面部等部位的形状和动作执行命令。

其中,ToF(Time of Flight)传感器已成为这一市场的新宠,它可以通过光线从光源到达物体,再反射回传感器的飞行时间来测量距离。

ToF是一种尖端3D传感器,通过照射到物体的光线再返回的时间来得出目标物距离,从而识别物体的外部轮廓、空间距离、及运动轨迹及三维轮廓等信息。2017年,苹果iPhone X的3D传感器True Depth相机虽采用结构光(Structured Light,简称SL)技术,但探测距离比ToF短。目前,大部分智能手机厂商已将超越SL技术局限性的ToF技术适用于新款手机中。ToF能够实现生物识别、动作识别、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)等功能。面部识别技术将大大提高AR和VR的应用。通过该技术识别人脸,用户可以通过该技术识别人脸制作个人卡通形象并在桌面上与自己喜欢的卡通人物一块跳舞玩耍。,或者通过在3D CIS摄像头的协助下,这项技术还可识别周围环境的三维立体结构,以此可运用于人们日常生活中对起居室家居摆放等构图工作。来制作AR和VR内容。

此外,业界还在积极研发RGB-IR传感器和视觉传感器(Vision Sensor)。前者以集成红外线波长的方式在低光下也能正确识别物体,后者则用于精确识别动作。例如,最具代表性的就是动态视觉传感器(Dynamic Vision Sensor,简称DVS)。它是感应光强变化的超高速动作传感器,可高效地追踪位置变化。由于它仅仅只捕捉动作轨迹,不显示人脸信息,因此在隐私保护方面十分具有优势。,从而,它也适用于监视、救援摄像头和虚拟现实、自动驾驶、动作识别和危险感应技术等多个领域。

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半导体行业将其的最终目标落实在开发高效是人工智能(AI)传感器,即一种可突破5.76亿人眼像素的高速传感器技术。业界正在关注在黑夜也能识别障碍物或行人,并实时感应运动轨迹和感兴趣区域(Region of Interest,简称ROI)以实现自动驾驶的技术。一款可以在几乎没有光线的情况下识别高速运动轨迹的图像传感器,有助于让自动驾驶技术取得突破性进展,因此业界正在致力于这方面的研究工作。

与科技产业大趋势中的AI和5G一样,CIS技术将会为未来3D视觉,全自动驾驶以及智能安全等创新应用带来无限可能性。

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