Όταν οι μηχανικοί αξιολογούν μια μονάδα κάμερας, η κατανάλωση ενέργειας συχνά αντιμετωπίζεται ως μια απλή προδιαγραφή που αναφέρεται στο φύλλο δεδομένων. Στην πραγματικότητα, η κατανάλωση ενέργειας της μονάδας κάμερας είναι το αποτέλεσμα πολλών υποσυστημάτων που συνεργάζονται, συμπεριλαμβανομένων του αισθητήρα εικόνας, του ISP, των buffer μνήμης, των διεπαφών υψηλής{1}ταχύτητας, των ρολογιών, των ρυθμιστών τάσης και του κεντρικού επεξεργαστή.
Η κατανόηση των υποκείμενων πηγών κατανάλωσης ενέργειας είναι ζωτικής σημασίας για συστήματα ενσωματωμένης όρασης, βιομηχανικές κάμερες, συσκευές τεχνητής νοημοσύνης, προϊόντα που τροφοδοτούνται{0}} με μπαταρία και εφαρμογές μηχανικής όρασης. Η κακή κατανόηση της συμπεριφοράς του ρεύματος μπορεί να οδηγήσει σε υπερθέρμανση, ασταθή ποιότητα εικόνας, μειωμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και απροσδόκητες βλάβες του συστήματος.
Το πιο σημαντικό είναι ότι πολλοί μηχανικοί εσφαλμένα υποθέτουν ότι η κατανάλωση ενέργειας κλιμακώνεται άμεσα με την ανάλυση του αισθητήρα. Στην πράξη, ο κυρίαρχος παράγοντας είναι συχνά η συνολική απόδοση εικόνας-η ποσότητα των δεδομένων εικόνας που πρέπει να λαμβάνεται, να υποβάλλεται σε επεξεργασία, να μεταδίδεται και να αναλύεται κάθε δευτερόλεπτο.
Η κατανάλωση ενέργειας ξεκινά με την παροχή Pixel
Σε επίπεδο αισθητήρα, η κατανάλωση ενέργειας σχετίζεται στενά με την απόδοση των pixel και όχι μόνο με την ανάλυση.
Για παράδειγμα:
- 2MP @ 30FPS=περίπου 60 εκατομμύρια pixel ανά δευτερόλεπτο
- 5MP @ 30FPS=περίπου 150 εκατομμύρια pixel ανά δευτερόλεπτο
- 8MP @ 60FPS=περίπου 480 εκατομμύρια pixel ανά δευτερόλεπτο
Κάθε εικονοστοιχείο πρέπει να εκτεθεί, να μετατραπεί από αναλογική σε ψηφιακή μορφή, να μεταφερθεί μέσω κυκλωμάτων ανάγνωσης αισθητήρων, να υποβληθεί σε επεξεργασία από τον ISP, να μεταδοθεί μέσω της διεπαφής και τελικά να χειριστεί ο κεντρικός επεξεργαστής.
Καθώς η απόδοση των εικονοστοιχείων αυξάνεται, σχεδόν κάθε μπλοκ στον αγωγό απεικόνισης καταναλώνει περισσότερη ισχύ. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μια κάμερα 8MP που λειτουργεί με υψηλούς ρυθμούς καρέ μπορεί να καταναλώνει πολλές φορές περισσότερη ισχύ από μια κάμερα 2MP, ακόμη και όταν και οι δύο χρησιμοποιούν παρόμοιες τεχνολογίες ημιαγωγών.
Ο αισθητήρας εικόνας είναι κάτι περισσότερο από εικονοστοιχεία
Ο αισθητήρας εικόνας θεωρείται συχνά ως ο κύριος καταναλωτής ενέργειας, αλλά η κατανόηση του πού δαπανάται η ισχύς του αισθητήρα απαιτεί να εξετάσουμε βαθύτερα την εσωτερική του αρχιτεκτονική.
Οι σύγχρονοι αισθητήρες εικόνας CMOS περιέχουν:
- Πίνακες εικονοστοιχείων
- Προγράμματα οδήγησης σειρών και στηλών
- Αναλογικοί ενισχυτές
- Συσχετισμένα διπλά κυκλώματα δειγματοληψίας
- Μετατροπείς αναλογικού-σε-ψηφιακού (ADC)
- Γεννήτριες χρονισμού
- Υψηλής-ταχύτητας σειριοποιητές εξόδου
Μεταξύ αυτών των μπλοκ, τα ADC και τα κυκλώματα εξόδου-υψηλής ταχύτητας συχνά αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό μέρος της κατανάλωσης ισχύος του αισθητήρα. Καθώς οι ρυθμοί καρέ αυξάνονται, αυτά τα κυκλώματα πρέπει να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες, προκαλώντας σημαντική αύξηση της δυναμικής κατανάλωσης ενέργειας.
Η απεικόνιση χαμηλού{0}}φωτισμού μπορεί επίσης να αυξήσει τις απαιτήσεις ισχύος του αισθητήρα. Οι μεγαλύτεροι χρόνοι έκθεσης, το υψηλότερο αναλογικό κέρδος και οι προηγμένες λειτουργίες HDR απαιτούν συχνά πρόσθετες λειτουργίες αισθητήρα που καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια από τις τυπικές λειτουργίες απεικόνισης.
Γιατί η επεξεργασία ISP μπορεί να γίνει ο μεγαλύτερος καταναλωτής ενέργειας
Σε πολλά σύγχρονα συστήματα κάμερας, ο Επεξεργαστής Σήματος Εικόνας (ISP) καταναλώνει τόση ισχύ όση ο ίδιος ο αισθητήρας-ή ακόμη περισσότερη.
Τα ακατέργαστα δεδομένα αισθητήρα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα. Πριν μια εικόνα φτάσει στο επίπεδο εφαρμογής, συνήθως περνάει από δεκάδες στάδια επεξεργασίας:
- Demosaicing
- Αυτόματη έκθεση (AE)
- Αυτόματη ισορροπία λευκού (AWB)
- Διόρθωση σκίασης φακού (LSC)
- Διόρθωση εικονοστοιχείων ελαττώματος (DPC)
- Μείωση Θορύβου
- Ακόνισμα
- Διόρθωση χρώματος
- Επεξεργασία HDR/WDR
- Ρύθμιση γάμμα
- Χαρτογράφηση τόνου
Πολλοί από αυτούς τους αλγόριθμους λειτουργούν σε κάθε pixel κάθε καρέ. Καθώς η ανάλυση και ο ρυθμός καρέ αυξάνονται, η υπολογιστική πολυπλοκότητα αυξάνεται γρήγορα.
Οι λειτουργίες HDR και WDR είναι ιδιαίτερα απαιτητικές επειδή πολλαπλές εκθέσεις πρέπει να καταγράφονται και να συγχωνεύονται σε μία εικόνα. Σε ορισμένες εφαρμογές, η ενεργοποίηση του HDR μπορεί να αυξήσει τον φόρτο εργασίας του ISP κατά περισσότερο από 50%, με αποτέλεσμα μια αξιοσημείωτη αύξηση στη συνολική κατανάλωση ενέργειας του συστήματος.
Ο ρυθμός καρέ είναι συχνά πιο σημαντικός από την ανάλυση
Πολλοί μηχανικοί εστιάζουν σε μεγάλο βαθμό στα megapixel ενώ παραβλέπουν το ρυθμό καρέ.
Από την άποψη της ισχύος, ο ρυθμός καρέ μπορεί να έχει ακόμη μεγαλύτερη επίδραση από την ανάλυση, επειδή καθορίζει άμεσα πόσο συχνά πρέπει να λειτουργεί ολόκληρος ο αγωγός απεικόνισης.
Σκεφτείτε μια κάμερα 2 MP:
- 2MP @ 30FPS
- 2MP @ 60FPS
- 2MP @ 120FPS
Ο διπλασιασμός του ρυθμού καρέ διπλασιάζει αποτελεσματικά τη δραστηριότητα ανάγνωσης του αισθητήρα, το φόρτο εργασίας επεξεργασίας του ISP, τη συχνότητα πρόσβασης στη μνήμη και τις απαιτήσεις μετάδοσης της διεπαφής.
Αυτό εξηγεί γιατί οι βιομηχανικές κάμερες υψηλής ταχύτητας-συχνά απαιτούν ενεργή ψύξη ακόμα και όταν οι αναλύσεις τους είναι σχετικά μέτριες.
Το κρυφό κόστος της μνήμης και της κίνησης δεδομένων
Μια πηγή κατανάλωσης ενέργειας που συχνά παραβλέπεται είναι η πρόσβαση στη μνήμη.
Πολλές λειτουργίες επεξεργασίας εικόνας απαιτούν προσωρινά buffers καρέ αποθηκευμένα στη μνήμη DDR. Κάθε λειτουργία ανάγνωσης και εγγραφής καταναλώνει ενέργεια.
Για συστήματα όρασης AI, τα δεδομένα εικόνας μπορούν να μεταφερθούν πολλές φορές:
- Αισθητήρας στον ISP
- ISP σε μνήμη DDR
- Επιταχυντής DDR σε AI
- Επιταχυντής AI προς CPU
- CPU για εμφάνιση ή αποθήκευση
Σε πολλές συσκευές τεχνητής νοημοσύνης αιχμής, τα κινούμενα δεδομένα εικόνας μέσω της μνήμης καταναλώνουν περισσότερη ισχύ από τους ίδιους τους πραγματικούς αλγόριθμους επεξεργασίας εικόνας.
Η κατανάλωση ενέργειας διεπαφής δεν είναι αμελητέα
Οι διεπαφές υψηλής-ταχύτητας όπως USB 3.0, MIPI CSI-2 και Gigabit Ethernet απαιτούν κυκλώματα φυσικού επιπέδου που λειτουργούν σε πολύ υψηλές συχνότητες.
Καθώς η απόδοση της εικόνας αυξάνεται, οι απαιτήσεις εύρους ζώνης διεπαφής αυξάνονται ανάλογα.
Για παράδειγμα, η μετάδοση ασυμπίεστου βίντεο 4K απαιτεί σημαντικά μεγαλύτερη ισχύ διασύνδεσης από τη μετάδοση συμπιεσμένου βίντεο 1080P. Σε ορισμένα συστήματα, η ισχύς διασύνδεσης μπορεί να γίνει ένα σημαντικό ποσοστό της συνολικής κατανάλωσης της μονάδας κάμερας.
Η κατανάλωση ρεύματος επηρεάζει άμεσα την ποιότητα της εικόνας
Η κατανάλωση ρεύματος δεν είναι απλώς μια ηλεκτρική ανησυχία. Επηρεάζει άμεσα τη θερμική συμπεριφορά.
Καθώς η θερμοκρασία του αισθητήρα αυξάνεται:
- Το σκοτεινό ρεύμα αυξάνεται
- Ο θόρυβος της εικόνας γίνεται πιο ορατός
- Η αναλογία σήματος-προς-θόρυβο μειώνεται
- Η απόδοση χαμηλού-του φωτός επιδεινώνεται
- Η μακροπρόθεσμη αξιοπιστία-μπορεί να μειωθεί
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο θερμικός σχεδιασμός είναι συχνά αδιαχώριστος από την επιλογή της μονάδας κάμερας. Μια κάμερα που καταναλώνει μόνο ένα επιπλέον watt μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη θερμοκρασία λειτουργίας μέσα σε ένα συμπαγές περίβλημα.
Συμβουλές επιλογής μονάδας κάμερας
Αντί να επιλέξουν τον αισθητήρα υψηλότερης-ανάλυσης που είναι διαθέσιμος, οι μηχανικοί θα πρέπει να ξεκινήσουν με τις απαιτήσεις εφαρμογής και τους περιορισμούς του συστήματος.
- Προσδιορίστε την πραγματική πυκνότητα pixel που απαιτείται στην απόσταση στόχου
- Καθορίστε τον ελάχιστο αποδεκτό ρυθμό καρέ
- Αξιολογήστε προσεκτικά τις απαιτήσεις HDR/WDR
- Εξετάστε τους στόχους χρόνου λειτουργίας της μπαταρίας
- Αξιολογήστε τους θερμικούς περιορισμούς του περιβλήματος
- Επαληθεύστε τις δυνατότητες του επεξεργαστή και του εύρους ζώνης μνήμης
- Υπολογίστε τη συνολική απόδοση της εικόνας πριν επιλέξετε έναν αισθητήρα
Σε πολλές εφαρμογές ενσωματωμένης όρασης, μια σωστά βελτιστοποιημένη μονάδα κάμερας 2MP ή 5MP μπορεί να επιτύχει την απαιτούμενη απόδοση απεικόνισης ενώ καταναλώνει σημαντικά λιγότερη ενέργεια από μια εναλλακτική- υψηλότερης ανάλυσης.
