AI監(jiān)控時(shí)代， 圖像傳感器層面有哪些升級(jí)和演進(jìn)？

人工智能(AI)是2018年安博會(huì)的核心話題，其中人臉識(shí)別相關(guān)產(chǎn)品和方案仍然是本屆安博會(huì)AI在安防監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域展示量最大的部分。當(dāng)前視頻監(jiān)控已走向人臉識(shí)別、車輛識(shí)別的應(yīng)用階段，大家都在關(guān)注識(shí)別算法精準(zhǔn)度的提升，而如何提升這個(gè)精準(zhǔn)度，撇開算法的層面，從設(shè)備硬件構(gòu)造來講，首先需要保障的是監(jiān)控圖像傳感器的性能。

本次安博會(huì)，筆者也有幸采訪到了國內(nèi)專注于圖像傳感器技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)的企業(yè)思特威(SmartSens)人工智能事業(yè)部總經(jīng)理白震東先生，在訪談過程中，白震東詳細(xì)分析了當(dāng)前國產(chǎn)圖像傳感器的創(chuàng)新技術(shù)亮點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，讓我們對(duì)這個(gè)安防視頻監(jiān)控?cái)z像頭內(nèi)部的核心元器件有了多一層的認(rèn)知和了解。

人臉識(shí)別應(yīng)用對(duì)圖像傳感器提出更高要求

由于行業(yè)的特殊性，安防視頻監(jiān)控?cái)z像頭的圖像傳感器主要考量三大關(guān)鍵點(diǎn)——信噪比、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。現(xiàn)階段，智能安防監(jiān)控強(qiáng)調(diào)的人臉抓拍、視頻結(jié)構(gòu)化等應(yīng)用，對(duì)“視覺”系統(tǒng)提出了更高的要求。

“傳統(tǒng)安防監(jiān)控領(lǐng)域所使用的圖像傳感器，其靈敏度難以滿足如今智能安防的復(fù)雜應(yīng)用場景，特別是對(duì)于人臉圖像準(zhǔn)確捕獲和識(shí)別的要求。使用這類傳感器的傳統(tǒng)安防監(jiān)控?cái)z像頭為了得到較為理想的成像亮度，往往會(huì)將拍攝時(shí)所使用的快門時(shí)間加大到40ms以上，同時(shí)配合使用比較高的增益來保證成像亮度。然而在攝像頭的拍攝過程中，人員是在不斷運(yùn)動(dòng)的，因此較長的快門時(shí)間會(huì)造成人臉成像模糊，而較高的增益則會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量劣化、噪聲增加，這兩大因素嚴(yán)重影響了人臉圖像輸出質(zhì)量甚至導(dǎo)致較差的最終識(shí)別效果。”白震東表示。

正如同手機(jī)從“功能”走向“智能”一樣，安防領(lǐng)域目前也正經(jīng)歷著這樣的升級(jí)。針對(duì)這一行業(yè)發(fā)展趨勢以及準(zhǔn)確捕獲/有效輸出監(jiān)控場景下人臉、車輛、物體特征信息的智能監(jiān)控具體應(yīng)用形態(tài)，思特威針對(duì)性地推出了‘1/1.8’系列超大尺寸的星光級(jí)圖像傳感器。該系列是面向智能安防而設(shè)計(jì)的顛覆式產(chǎn)品，其中思特威運(yùn)用了可以提高CMOS圖像傳感器感度的BSI背照式工藝，并在設(shè)計(jì)上采用了獨(dú)有的全新傳感器設(shè)計(jì)架構(gòu)，進(jìn)一步提升了圖像傳感器的靈敏度和信噪比，加強(qiáng)了動(dòng)態(tài)范圍輸出的能力，充分保證了智能安防攝像頭面對(duì)復(fù)雜場景(暗光/逆光)的適應(yīng)性。

另一個(gè)提升圖像傳感器性能的技術(shù)還可以通過變更成像曝光的方式實(shí)現(xiàn)。

兩種曝光Shutter技術(shù)： Rolling Shutter 和 Global Shutter

Rolling Shutter：Rolling Shutter的曝光方式是按照逐行的方式來進(jìn)行曝光，即傳感器在成像時(shí)，每行像素逐行依次進(jìn)行曝光，且每行像素的曝光之間會(huì)有一定的時(shí)間間隔。

Global Shutter：與Rolling Shutter不同，是整幅畫面同一時(shí)間曝光實(shí)現(xiàn)。攝像頭中圖像傳感器的所有像素點(diǎn)同一時(shí)間感應(yīng)光線，同時(shí)曝光。傳感器讀出的是同一時(shí)間的同一畫面。

高速物體變形

(左圖是采用Global Shutter技術(shù)的 SmartSens SC132GS拍攝的圖片，右圖是 Rolling Shutter傳感器拍攝的圖片)。

明暗現(xiàn)象

（左側(cè)為具備單幀HDR技術(shù)的SmartSens Global Shutter CIS拍攝效果）

據(jù)白震東介紹，傳統(tǒng)攝像頭常用的是Rolling Shutter，這種方式是逐行式曝光，比如說一個(gè)圖像傳感器是一個(gè)陣面，它的曝光數(shù)是一行一行曝光，適用于靜態(tài)或流速較慢的場景。但在動(dòng)態(tài)場景中，尤其是面對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)物體，這時(shí)候需要用到Global Shutter曝光方式，它的曝光是整幅畫面在一幀中同時(shí)凍結(jié)，不管畫面速度多快，只要快門設(shè)置合理，都可以拍得非常清楚。

最匹配AI視覺應(yīng)用的Global Shutter技術(shù)

據(jù)了解，Global Shutter圖像傳感器技術(shù)最早是應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高端技術(shù)，主要為自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)拍攝高速清晰的圖像，以及為運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手臂提供精準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)源。隨著AI時(shí)代的崛起，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域需要使用到具備邊緣計(jì)算能力的智能感知類產(chǎn)品，思特威敏銳地察覺到了這一應(yīng)用發(fā)展的趨勢，適時(shí)地推出了SmartGS系列Global Shutter CIS產(chǎn)品。

而今天我們能看到這項(xiàng)技術(shù)在人工智能爆發(fā)的階段“生逢其時(shí)”，其實(shí)也源自于思特威敏銳的市場洞察力和前瞻性。

“對(duì)于人工智能的市場發(fā)展趨勢，我們?cè)?015年左右就已經(jīng)開始預(yù)判了，這個(gè)行業(yè)如果用人工智能做一些革命的話，Global Shutter技術(shù)的應(yīng)用是必然趨勢。但有一點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化里面用的Global Shutter實(shí)際上現(xiàn)場都有補(bǔ)光，它的環(huán)境相對(duì)比較穩(wěn)定，但人工智能場景具有不確定性，環(huán)境更為復(fù)雜，因此，在Global Shutter的基礎(chǔ)之上，我們還加入了BSI背照式傳感器來提升傳感器的感度。將BSI技術(shù)和Global Shutter技術(shù)放在一起，可以極大地增強(qiáng)Global Shutter 的場景適用性。”白震東表示。

目前，Global Shutter+BSI的技術(shù)組合已被思特威落地應(yīng)用在多個(gè)垂直應(yīng)用領(lǐng)域，輔助人工智能場景下的智慧視覺的應(yīng)用，比如智慧交通、智慧商業(yè)、智能感知等領(lǐng)域，以智慧交通領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用為例：

智慧交通

從宏觀角度來看，為了讓城市交通更加便利，疏導(dǎo)日益擁堵的公共交通，智慧交通系統(tǒng)是解決交通發(fā)展瓶頸的有效手段之一。高速違章查處、卡口ETC、十字路口的道路監(jiān)控、停車場的智能管理、道路流量監(jiān)測、電子警察等應(yīng)用場景都離不開成像技術(shù)。只有準(zhǔn)確的成像信息，才能更加準(zhǔn)確地判斷當(dāng)前的路況、車輛行為和車輛具體的身份信息，更好地實(shí)現(xiàn)城市道路交通系統(tǒng)順暢的運(yùn)轉(zhuǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域，Global Shutter CMOS圖像傳感器可以更好地發(fā)揮作用。

而在微觀角度上，汽車產(chǎn)品也在從裝備ADAS輔助駕駛向自動(dòng)駕駛的方向演進(jìn)。無論是輔助駕駛還是自動(dòng)駕駛，汽車的中控芯片對(duì)傳感器接收到的圖像信息要求越來越高。中控芯片不僅需要圖像傳感器在車輛高速運(yùn)動(dòng)中提供沒有形變的清晰圖片，還需要提供周邊物體與車輛的距離，甚至是駕駛員的疲勞程度監(jiān)控。Global Shutter傳感器可以避免車輛高速運(yùn)動(dòng)時(shí)拍攝圖像形變的問題，同時(shí)結(jié)合智能駕駛/自動(dòng)駕駛/駕駛員疲勞檢測等方面的算法和邏輯判斷，從而為行車安全提供極大的保障。

圖像傳感器的價(jià)值演進(jìn)：從賦能到服務(wù)

盡管當(dāng)前人工智能元年已經(jīng)開啟，但在白震東看來，現(xiàn)階段依舊處在弱人工智能的階段，依托于圖像傳感器的智慧視覺系統(tǒng)仍然還有很長的路要走。

"弱人工智能時(shí)代，大家更多用傳感器進(jìn)行環(huán)境信息的智能感知，感知系統(tǒng)完善之后再開始向著垂直應(yīng)用場景下逐漸拓展更深層次的智能化應(yīng)用。”白震東表示。

從現(xiàn)階段人工智能和機(jī)器視覺領(lǐng)域的傳感器應(yīng)用情況來看，傳感器的主要功能一個(gè)是成像給人看，一個(gè)是成像給機(jī)器看，還有一些用于交互式體驗(yàn)中大家熟知的手勢識(shí)別、人臉支付、人臉解鎖等場景應(yīng)用。從一套視覺感知的工具逐漸朝服務(wù)大眾日常生活的角色轉(zhuǎn)變，應(yīng)用價(jià)值也在隨著場景的不斷豐富得以持續(xù)演進(jìn)，而這些也正是思特威發(fā)力的地方。

思特威多款重要圖像傳感器產(chǎn)品亮相安博會(huì)

“人工智能、機(jī)器視覺領(lǐng)域大范圍的涉及到圖像傳感器的應(yīng)用，用戶端對(duì)于圖像傳感器在成本、性能或是應(yīng)用配合等方面的要求，也將成為我們?cè)谛碌漠a(chǎn)品研發(fā)過程中持續(xù)的推進(jìn)力量，通過我們?cè)趫D像傳感器技術(shù)領(lǐng)域的不懈努力，更好地服務(wù)于應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢，為大眾創(chuàng)建更加美好的生活!”白震東最后強(qiáng)調(diào)!