Kiedy inżynierowie oceniają moduł kamery, zużycie energii jest często traktowane jako prosta specyfikacja podana w arkuszu danych. W rzeczywistości zużycie energii modułu kamery jest wynikiem współpracy wielu podsystemów, w tym czujnika obrazu, dostawcy usług internetowych, buforów pamięci,-szybkich interfejsów, zegarów, regulatorów napięcia i procesora hosta.
Zrozumienie podstawowych źródeł zużycia energii ma kluczowe znaczenie w przypadku wbudowanych systemów wizyjnych, kamer przemysłowych, urządzeń brzegowych AI, produktów-zasilanych bateryjnie i zastosowań systemów wizyjnych. Złe zrozumienie zachowania zasilania może prowadzić do przegrzania, niestabilnej jakości obrazu, skrócenia żywotności baterii i nieoczekiwanych awarii systemu.
Co ważniejsze, wielu inżynierów błędnie zakłada, że zużycie energii rośnie bezpośrednio wraz z rozdzielczością czujnika. W praktyce dominującym czynnikiem jest często całkowita przepustowość obrazu,-ilość danych obrazu, które muszą zostać przechwycone, przetworzone, przesłane i przeanalizowane co sekundę.
Zużycie energii rozpoczyna się od przepustowości pikseli
Na poziomie czujnika zużycie energii jest ściśle powiązane z przepustowością pikseli, a nie samą rozdzielczością.
Na przykład:
- 2 MP przy 30 kl./s=około 60 milionów pikseli na sekundę
- 5 MP przy 30 kl./s=około 150 milionów pikseli na sekundę
- 8 MP przy 60 kl./s=około 480 milionów pikseli na sekundę
Każdy piksel musi zostać naświetlony, przekonwertowany z postaci analogowej na cyfrową, przesłany przez obwody odczytu czujnika, przetworzony przez dostawcę usług internetowych, przesłany przez interfejs i ostatecznie obsługiwany przez procesor hosta.
Wraz ze wzrostem przepustowości pikseli prawie każdy blok w potoku obrazowania zużywa więcej energii. Z tego powodu kamera 8 MP działająca z dużą liczbą klatek na sekundę może zużywać kilka razy więcej energii niż kamera 2 MP, nawet jeśli w obu przypadkach zastosowano podobne technologie półprzewodnikowe.
Przetwornik obrazu to coś więcej niż tylko piksele
Przetwornik obrazu jest często postrzegany jako główny odbiornik energii, ale zrozumienie, na co zużywana jest moc czujnika, wymaga głębszego przyjrzenia się jego wewnętrznej architekturze.
Nowoczesne przetworniki obrazu CMOS zawierają:
- Tablice pikseli
- Sterowniki wierszy i kolumn
- Wzmacniacze analogowe
- Skorelowane obwody podwójnego próbkowania
- Przetworniki analogowe-na-cyfrowe (ADC)
- Generatory rozrządu
- Serializatory wyjściowe-o dużej prędkości
Wśród tych bloków znaczną część zużycia energii przez czujnik stanowią przetworniki ADC i-szybkie obwody wyjściowe. Wraz ze wzrostem liczby klatek na sekundę obwody te muszą działać na wyższych częstotliwościach, co powoduje znaczny wzrost dynamicznego zużycia energii.
Obrazowanie przy słabym-oświetleniu może również zwiększyć zapotrzebowanie na moc czujnika. Dłuższe czasy ekspozycji, wyższe wzmocnienie analogowe i zaawansowane tryby HDR często wymagają dodatkowych operacji czujnika, które zużywają więcej energii niż standardowe tryby obrazowania.
Dlaczego przetwarzanie przez dostawców usług internetowych może stać się największym konsumentem energii
W wielu nowoczesnych systemach kamer procesor sygnału obrazu (ISP) zużywa tyle samo energii, co sam czujnik-lub nawet więcej.
Surowe dane z czujnika nie nadają się do bezpośredniego wykorzystania. Zanim obraz dotrze do warstwy aplikacji, zazwyczaj przechodzi przez dziesiątki etapów przetwarzania:
- Demozaikowanie
- Automatyczna ekspozycja (AE)
- Automatyczny balans bieli (AWB)
- Korekcja cieniowania obiektywu (LSC)
- Korekcja defektów pikseli (DPC)
- Redukcja hałasu
- Ostrzenie
- Korekta koloru
- Przetwarzanie HDR/WDR
- Regulacja gammy
- Mapowanie tonów
Wiele z tych algorytmów działa na każdym pikselu każdej klatki. Wraz ze wzrostem rozdzielczości i liczby klatek na sekundę złożoność obliczeniowa szybko rośnie.
Tryby HDR i WDR są szczególnie wymagające, ponieważ należy przechwycić wiele ekspozycji i połączyć je w jeden obraz. W niektórych aplikacjach włączenie HDR może zwiększyć obciążenie dostawcy usług internetowych o ponad 50%, co skutkuje zauważalnym wzrostem całkowitego zużycia energii przez system.
Liczba klatek na sekundę jest często ważniejsza niż rozdzielczość
Wielu inżynierów skupia się głównie na megapikselach, pomijając liczbę klatek na sekundę.
Z punktu widzenia mocy liczba klatek na sekundę może mieć jeszcze większy wpływ niż rozdzielczość, ponieważ bezpośrednio określa, jak często musi działać cały proces obrazowania.
Rozważ aparat 2 MP:
- 2 MP @ 30 kl./s
- 2 MP @ 60 kl./s
- 2 MP przy 120 kl./s
Podwojenie szybkości klatek skutecznie podwaja aktywność odczytu czujnika, obciążenie przetwarzania przez dostawcę usług internetowych, częstotliwość dostępu do pamięci i wymagania dotyczące transmisji interfejsu.
To wyjaśnia, dlaczego-szybkie kamery przemysłowe często wymagają aktywnego chłodzenia, nawet jeśli ich rozdzielczość jest stosunkowo skromna.
Ukryty koszt pamięci i przenoszenia danych
Często pomijanym źródłem zużycia energii jest dostęp do pamięci.
Wiele operacji przetwarzania obrazu wymaga tymczasowych buforów ramek przechowywanych w pamięci DDR. Każda operacja odczytu i zapisu zużywa energię.
W przypadku systemów wizyjnych AI dane obrazu mogą być przesyłane wielokrotnie:
- Czujnik do dostawcy usług internetowych
- ISP do pamięci DDR
- Akcelerator DDR do AI
- Akcelerator AI do procesora
- Procesor do wyświetlania lub przechowywania
W wielu urządzeniach brzegowych AI przenoszenie danych obrazu przez pamięć zużywa więcej energii niż same algorytmy przetwarzania obrazu.
Zużycie energii interfejsu nie jest pomijalne
Interfejsy-o dużej szybkości, takie jak USB 3.0, MIPI CSI-2 i Gigabit Ethernet, wymagają dedykowanych obwodów warstwy fizycznej działających na bardzo wysokich częstotliwościach.
Wraz ze wzrostem przepustowości obrazu wzrastają odpowiednio wymagania dotyczące przepustowości interfejsu.
Na przykład przesyłanie nieskompresowanego wideo 4K wymaga znacznie większej mocy interfejsu niż przesyłanie skompresowanego wideo 1080P. W niektórych systemach moc interfejsu może stanowić znaczący procent całkowitego zużycia modułu kamery.
Zużycie energii ma bezpośredni wpływ na jakość obrazu
Zużycie energii to nie tylko problem elektryczny. Ma to bezpośredni wpływ na zachowanie termiczne.
Wraz ze wzrostem temperatury czujnika:
- Ciemny prąd wzrasta
- Szumy obrazu stają się bardziej widoczne
- Stosunek sygnału-do-szumu maleje
- Wydajność przy-oświetleniu ulega pogorszeniu
- Długoterminowa-niezawodność może zostać zmniejszona
Dlatego też projekt termiczny jest często nierozerwalnie związany z wyborem modułu kamery. Kamera pobierająca tylko jeden dodatkowy wat może znacząco podnieść temperaturę pracy wewnątrz kompaktowej obudowy.
Wskazówki dotyczące wyboru modułu kamery
Zamiast wybierać czujnik o najwyższej-dostępnej rozdzielczości, inżynierowie powinni zacząć od wymagań aplikacji i ograniczeń systemu.
- Określ rzeczywistą gęstość pikseli wymaganą w odległości docelowej
- Zdefiniuj minimalną akceptowalną liczbę klatek na sekundę
- Dokładnie oceń wymagania HDR/WDR
- Weź pod uwagę docelowy czas pracy baterii
- Oceń ograniczenia termiczne obudowy
- Sprawdź możliwości przepustowości procesora i pamięci
- Przed wybraniem czujnika oszacuj całkowitą przepustowość obrazu
W wielu zastosowaniach systemów wbudowanych odpowiednio zoptymalizowany moduł kamery 2 MP lub 5 MP może osiągnąć wymaganą wydajność obrazowania, zużywając jednocześnie znacznie mniej energii niż alternatywa o wyższej-rozdzielczości.
