Keď inžinieri hodnotia modul kamery, spotreba energie sa často považuje za jednoduchú špecifikáciu uvedenú v údajovom liste. V skutočnosti je spotreba energie modulu kamery výsledkom spolupráce viacerých podsystémov vrátane obrazového snímača, poskytovateľa internetových služieb, vyrovnávacej pamäte, vysoko-rýchlostných rozhraní, hodín, regulátorov napätia a hostiteľského procesora.
Pochopenie základných zdrojov spotreby energie je rozhodujúce pre vstavané systémy videnia, priemyselné kamery, okrajové zariadenia s umelou inteligenciou, batériou-napájané produkty a aplikácie strojového videnia. Zlé pochopenie správania pri napájaní môže viesť k prehriatiu, nestabilnej kvalite obrazu, skráteniu životnosti batérie a neočakávaným zlyhaniam systému.
Ešte dôležitejšie je, že mnohí inžinieri mylne predpokladajú, že spotreba energie sa mení priamo s rozlíšením snímača. V praxi je často dominantným faktorom celková priepustnosť obrazu-množstvo obrazových údajov, ktoré je potrebné zachytiť, spracovať, preniesť a analyzovať každú sekundu.
Spotreba energie začína s priepustnosťou pixelov
Na úrovni snímača spotreba energie úzko súvisí skôr s priepustnosťou pixelov než samotným rozlíšením.
Napríklad:
- 2MP @ 30FPS=približne 60 miliónov pixelov za sekundu
- 5 MP @ 30 FPS=približne 150 miliónov pixelov za sekundu
- 8 MP @ 60 FPS=približne 480 miliónov pixelov za sekundu
Každý pixel musí byť exponovaný, prevedený z analógovej do digitálnej formy, prenesený cez čítacie obvody snímača, spracovaný ISP, prenesený cez rozhranie a prípadne spracovaný hostiteľským procesorom.
So zvyšujúcou sa priepustnosťou pixelov takmer každý blok v zobrazovacom potrubí spotrebuje viac energie. To je dôvod, prečo 8MP fotoaparát pracujúci pri vysokých snímkových frekvenciách môže spotrebovať niekoľkonásobne viac energie ako 2MP fotoaparát, aj keď oba používajú podobné polovodičové technológie.
Obrazový snímač je viac než len pixely
Obrazový snímač je často vnímaný ako primárny spotrebiteľ energie, ale pochopenie toho, kde sa spotrebuje výkon snímača, si vyžaduje hlbší pohľad do jeho vnútornej architektúry.
Moderné obrazové snímače CMOS obsahujú:
- Pixelové polia
- Riadkové a stĺpcové ovládače
- Analógové zosilňovače
- Korelované dvojité vzorkovacie obvody
- Analógové-na{1}}digitálne prevodníky (ADC)
- Časovacie generátory
- Vysoko{0}}rýchlostné výstupné serializátory
Spomedzi týchto blokov ADC a vysokorýchlostné{0}}výstupné obvody často predstavujú značnú časť spotreby energie snímača. Keď sa obnovovacia frekvencia zvyšuje, tieto obvody musia pracovať pri vyšších frekvenciách, čo spôsobuje podstatné zvýšenie dynamickej spotreby energie.
Snímanie pri slabom{0}}osvetlení môže tiež zvýšiť požiadavky na napájanie snímača. Dlhšie expozičné časy, vyšší analógový zisk a pokročilé režimy HDR často vyžadujú dodatočné operácie snímača, ktoré spotrebujú viac energie ako štandardné režimy zobrazenia.
Prečo sa ISP spracovanie môže stať najväčším spotrebiteľom energie
V mnohých moderných kamerových systémoch spotrebúva obrazový signálový procesor (ISP) toľko energie ako samotný snímač-alebo ešte viac.
Nespracované údaje snímača nie sú priamo použiteľné. Predtým, ako sa obrázok dostane do aplikačnej vrstvy, zvyčajne prechádza desiatkami fáz spracovania:
- Demosaicing
- Automatická expozícia (AE)
- Automatické vyváženie bielej (AWB)
- Korekcia tieňovania objektívu (LSC)
- Korekcia defektných pixelov (DPC)
- Redukcia hluku
- Ostrenie
- Korekcia farieb
- Spracovanie HDR/WDR
- Gamma úprava
- Mapovanie tónov
Mnohé z týchto algoritmov fungujú na každom pixeli každého rámca. So zvyšujúcim sa rozlíšením a snímkovou frekvenciou rýchlo rastie výpočtová zložitosť.
Režimy HDR a WDR sú obzvlášť náročné, pretože je potrebné nasnímať viacero expozícií a zlúčiť ich do jednej snímky. V niektorých aplikáciách môže aktivácia HDR zvýšiť pracovné zaťaženie poskytovateľa internetových služieb o viac ako 50 %, čo vedie k výraznému zvýšeniu celkovej spotreby energie systému.
Snímková frekvencia je často dôležitejšia ako rozlíšenie
Mnoho inžinierov sa vo veľkej miere zameriava na megapixely, pričom prehliada snímkovú frekvenciu.
Z hľadiska výkonu môže mať snímková frekvencia ešte väčší vplyv ako rozlíšenie, pretože priamo určuje, ako často musí fungovať celé zobrazovacie potrubie.
Zvážte 2MP fotoaparát:
- 2 MP @ 30 FPS
- 2 MP @ 60 FPS
- 2 MP @ 120 FPS
Zdvojnásobenie snímkovej frekvencie efektívne zdvojnásobuje aktivitu čítania snímača, pracovnú záťaž ISP, frekvenciu prístupu do pamäte a požiadavky na prenos rozhrania.
To vysvetľuje, prečo vysokorýchlostné{0}}priemyselné kamery často vyžadujú aktívne chladenie, aj keď ich rozlíšenie je relatívne malé.
Skryté náklady na pamäť a pohyb údajov
Jedným z často prehliadaných zdrojov spotreby energie je prístup k pamäti.
Mnoho operácií spracovania obrazu vyžaduje dočasné vyrovnávacie pamäte snímok uložené v pamäti DDR. Každá operácia čítania a zápisu spotrebúva energiu.
V prípade systémov videnia AI sa obrazové údaje môžu prenášať viackrát:
- Senzor k ISP
- ISP do pamäte DDR
- Urýchľovač DDR na AI
- AI akcelerátor na CPU
- CPU na zobrazenie alebo uloženie
V mnohých zariadeniach edge AI spotrebúva presúvanie obrazových údajov cez pamäť viac energie ako samotné algoritmy na spracovanie obrazu.
Spotreba energie rozhrania nie je zanedbateľná
Vysokorýchlostné{0}}rozhrania, ako napríklad USB 3.0, MIPI CSI-2 a gigabitový Ethernet, vyžadujú vyhradené obvody fyzickej vrstvy pracujúce pri veľmi vysokých frekvenciách.
So zvyšujúcou sa priepustnosťou obrazu sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšujú požiadavky na šírku pásma rozhrania.
Napríklad prenos nekomprimovaného 4K videa vyžaduje podstatne viac výkonu rozhrania ako prenos komprimovaného 1080P videa. V niektorých systémoch môže byť výkon rozhrania významným percentom celkovej spotreby kamerového modulu.
Spotreba energie priamo ovplyvňuje kvalitu obrazu
Spotreba energie nie je len otázkou elektrickej energie. Priamo ovplyvňuje tepelné správanie.
Keď teplota snímača stúpa:
- Temný prúd sa zvyšuje
- Obrazový šum sa stáva viditeľnejším
- Odstup signálu-k{1}}šumu sa znižuje
- Výkon pri slabom-osvetlení sa zhoršuje
- Dlhodobá-spoľahlivosť môže byť znížená
To je dôvod, prečo je tepelný dizajn často neoddeliteľný od výberu kamerového modulu. Kamera spotrebúvajúca iba jeden watt navyše môže výrazne zvýšiť prevádzkovú teplotu vo vnútri kompaktného krytu.
Tipy na výber modulu kamery
Namiesto výberu senzora s najvyšším{0}}rozlíšením by mali inžinieri začať s požiadavkami aplikácie a systémovými obmedzeniami.
- Určite skutočnú hustotu pixelov požadovanú v cieľovej vzdialenosti
- Definujte minimálnu prijateľnú snímkovú frekvenciu
- Starostlivo zhodnoťte požiadavky na HDR/WDR
- Zvážte ciele prevádzkovej doby batérie
- Posúďte tepelné obmedzenia krytu
- Overte možnosti šírky pásma procesora a pamäte
- Pred výberom snímača odhadnite celkovú priepustnosť obrazu
V mnohých aplikáciách so vstavaným videním môže správne optimalizovaný 2MP alebo 5MP kamerový modul dosiahnuť požadovaný zobrazovací výkon pri podstatne nižšej spotrebe energie ako alternatíva s vyšším-rozlíšením.
