Kai inžinieriai vertina kameros modulį, energijos suvartojimas dažnai traktuojamas kaip paprasta specifikacija, nurodyta duomenų lape. Iš tikrųjų fotoaparato modulio energijos suvartojimas yra kelių kartu veikiančių posistemių, įskaitant vaizdo jutiklį, IPT, atminties buferius, didelės spartos sąsajas, laikrodžius, įtampos reguliatorius ir pagrindinį procesorių, rezultatas.
Įterptųjų regėjimo sistemų, pramoninių fotoaparatų, dirbtinio intelekto įtaisų, baterijomis{0}}varomų gaminių ir mašininio matymo programų atveju labai svarbu suprasti pagrindinius energijos suvartojimo šaltinius. Prastas energijos vartojimo elgsenos supratimas gali sukelti perkaitimą, nestabilią vaizdo kokybę, sutrumpinti baterijos veikimo laiką ir netikėtus sistemos gedimus.
Dar svarbiau, kad daugelis inžinierių klaidingai mano, kad energijos suvartojimas tiesiogiai priklauso nuo jutiklio skiriamosios gebos. Praktiškai dominuojantis veiksnys dažnai yra bendras vaizdo pralaidumas{1}}vaizdo duomenų kiekis, kurį reikia užfiksuoti, apdoroti, perduoti ir analizuoti kas sekundę.
Energijos suvartojimas prasideda nuo pikselių pralaidumo
Jutiklio lygmeniu energijos suvartojimas yra glaudžiai susijęs su pikselių pralaidumu, o ne tik su skiriamąja geba.
Pavyzdžiui:
- 2 MP @ 30 FPS=maždaug 60 mln. pikselių per sekundę
- 5 MP @ 30 FPS=maždaug 150 mln. pikselių per sekundę
- 8 MP @ 60 FPS=maždaug 480 mln. pikselių per sekundę
Kiekvienas pikselis turi būti eksponuojamas, konvertuojamas iš analoginės į skaitmeninę formą, perduodamas per jutiklio nuskaitymo grandines, apdorojamas IPT, perduodamas per sąsają ir galiausiai tvarkomas pagrindinio procesoriaus.
Didėjant pikselių pralaidumui, beveik kiekvienas vaizdo gavimo vamzdyno blokas sunaudoja daugiau energijos. Štai kodėl 8 MP kamera, veikianti dideliu kadrų dažniu, gali sunaudoti kelis kartus daugiau energijos nei 2 MP kamera, net jei abiejose naudojamos panašios puslaidininkių technologijos.
Vaizdo jutiklis yra daugiau nei tik pikseliai
Vaizdo jutiklis dažnai laikomas pagrindiniu energijos vartotoju, tačiau norint suprasti, kur išleidžiama jutiklio galia, reikia pažvelgti į jo vidinę architektūrą.
Šiuolaikiniuose CMOS vaizdo jutikliuose yra:
- Pikselių matricos
- Eilučių ir stulpelių tvarkyklės
- Analoginiai stiprintuvai
- Koreliuotos dvigubos atrankos grandinės
- Analoginiai{0}}į-skaitmeniniai keitikliai (ADC)
- Laiko generatoriai
- Didelės spartos{0}}išvesties serializatoriai
Tarp šių blokų ADC ir didelės spartos{0}} išvesties grandinės dažnai sudaro didelę jutiklio energijos suvartojimo dalį. Didėjant kadrų dažniui, šios grandinės turi veikti aukštesniais dažniais, todėl labai padidės dinaminis energijos suvartojimas.
Vaizdas naudojant silpną-apšvietimą taip pat gali padidinti jutiklio galios poreikį. Ilgesnė ekspozicijos trukmė, didesnis analoginis stiprinimas ir pažangūs HDR režimai dažnai reikalauja papildomų jutiklio operacijų, kurios sunaudoja daugiau energijos nei standartiniai vaizdo gavimo režimai.
Kodėl IPT apdorojimas gali tapti didžiausiu energijos vartotoju
Daugelyje šiuolaikinių fotoaparatų sistemų vaizdo signalo procesorius (ISP) sunaudoja tiek pat energijos, kiek ir pats jutiklis{0}}ar net daugiau.
Neapdoroti jutiklio duomenys nėra tiesiogiai naudojami. Prieš pasiekiant vaizdo sluoksnį, jis paprastai praeina daugybę apdorojimo etapų:
- Demosaiciningas
- Automatinė ekspozicija (AE)
- Automatinis baltos spalvos balansas (AWB)
- Objektyvo šešėlių korekcija (LSC)
- Defektų taškų taisymas (DPC)
- Triukšmo mažinimas
- Galandimas
- Spalvos korekcija
- HDR/WDR apdorojimas
- Gama reguliavimas
- Tonų atvaizdavimas
Daugelis šių algoritmų veikia kiekviename kiekvieno kadro pikselyje. Didėjant skyrai ir kadrų dažniui, skaičiavimo sudėtingumas sparčiai auga.
HDR ir WDR režimai yra ypač reiklūs, nes turi būti užfiksuotos kelios ekspozicijos ir sujungtos į vieną vaizdą. Kai kuriose programose HDR įjungimas gali padidinti IPT darbo krūvį daugiau nei 50 %, todėl pastebimai padidės bendras sistemos energijos suvartojimas.
Kadrų dažnis dažnai yra svarbesnis nei raiška
Daugelis inžinierių daug dėmesio skiria megapikseliams ir neatsižvelgia į kadrų dažnį.
Žvelgiant iš galios perspektyvos, kadrų dažnis gali turėti dar didesnį poveikį nei skiriamoji geba, nes nuo jo tiesiogiai priklauso, kaip dažnai turi veikti visas vaizdo gavimo vamzdynas.
Apsvarstykite 2 MP kamerą:
- 2MP @ 30FPS
- 2MP @ 60FPS
- 2 MP @ 120 FPS
Dvigubas kadrų dažnis efektyviai padvigubina jutiklio nuskaitymo veiklą, IPT apdorojimo darbo krūvį, atminties prieigos dažnį ir sąsajos perdavimo reikalavimus.
Tai paaiškina, kodėl didelės spartos{0}}pramoninės kameros dažnai reikalauja aktyvaus aušinimo, net kai jų skiriamoji geba yra palyginti nedidelė.
Paslėptos atminties ir duomenų judėjimo išlaidos
Vienas dažnai nepastebimas energijos suvartojimo šaltinis yra prieiga prie atminties.
Daugeliui vaizdo apdorojimo operacijų reikia laikinų kadrų buferių, saugomų DDR atmintyje. Kiekviena skaitymo ir rašymo operacija sunaudoja energijos.
Dirbtinio intelekto sistemose vaizdo duomenys gali būti perduodami kelis kartus:
- Jutiklis IPT
- ISP į DDR atmintį
- DDR į AI greitintuvas
- AI greitintuvas iki procesoriaus
- CPU rodyti arba saugoti
Daugelyje kraštinių AI įrenginių vaizdo duomenų perkėlimas per atmintį sunaudoja daugiau energijos nei patys vaizdo apdorojimo algoritmai.
Sąsajos energijos suvartojimas nėra nereikšmingas
Didelės spartos{0}}sąsajas, pvz., USB 3.0, MIPI CSI-2 ir Gigabit Ethernet, reikalauja specialių fizinio sluoksnio grandinių, veikiančių labai aukštais dažniais.
Didėjant vaizdo pralaidumui, atitinkamai didėja sąsajos pralaidumo reikalavimai.
Pavyzdžiui, norint perduoti nesuspaustą 4K vaizdo įrašą, reikia žymiai daugiau sąsajos galios nei perduodant suspaustą 1080P vaizdo įrašą. Kai kuriose sistemose sąsajos galia gali tapti reikšminga viso fotoaparato modulio suvartojimo procentine dalimi.
Energijos suvartojimas tiesiogiai veikia vaizdo kokybę
Energijos suvartojimas nėra vien elektros problema. Tai tiesiogiai veikia šiluminį elgesį.
Kai jutiklio temperatūra pakyla:
- Tamsi srovė didėja
- Vaizdo triukšmas tampa labiau matomas
- Signalo-ir-triukšmo santykis sumažėja
- Prastas{0}}apšvietimas blogėja
- Ilgalaikis{0}}patikimumas gali sumažėti
Štai kodėl šiluminis dizainas dažnai yra neatsiejamas nuo fotoaparato modulio pasirinkimo. Fotoaparatas, sunaudojantis tik vieną papildomą vatą, gali žymiai padidinti darbinę temperatūrą kompaktiškame korpuse.
Kameros modulio pasirinkimo patarimai
Užuot pasirinkę didžiausios{0}}raiškos jutiklį, inžinieriai turėtų pradėti nuo programos reikalavimų ir sistemos apribojimų.
- Nustatykite tikrąjį pikselių tankį, reikalingą tiksliniame atstumu
- Apibrėžkite mažiausią priimtiną kadrų dažnį
- Atidžiai įvertinkite HDR/WDR reikalavimus
- Apsvarstykite akumuliatoriaus veikimo laiko tikslus
- Įvertinkite korpuso šiluminius apribojimus
- Patikrinkite procesoriaus ir atminties pralaidumo galimybes
- Prieš pasirinkdami jutiklį, įvertinkite bendrą vaizdo pralaidumą
Daugelyje įterptųjų regėjimo programų tinkamai optimizuotas 2 MP arba 5 MP kameros modulis gali pasiekti reikiamą vaizdo našumą ir sunaudoti daug mažiau energijos nei didesnės raiškos alternatyva.
