文/Rossie Pang

安森美半导体智能感知部全球市场和应用工程副总裁易继辉(Sammy Yi

安森美半导体智能感知部(ISG)于2014年成立,虽然成立只有短短的六年时间,但是借助几次重要的战略性并购,已将TRUESENSE、Aptina等图像传感领域的知名公司收入麾下,因此,实际上安森美半导体在成像传感领域已经传承了超过40年的技术积累。

悠久的历史也让安森美半导体在图像传感器领域创造了很多行业第一,如于1993年开发出了行业内首款CMOS图像传感器,于2005年开发出全球首款针对汽车应用的车规级CMOS图像传感器。公司不但拥有2000多项成像专利,而且拥有最庞大的传感器产品阵容,再加上强有力的供应链,其每周销售的芯片总量就超过10亿颗。“因此,我们部门虽然在公司的总营业额中占比并不大,但是成长速度却是最快的。”安森美半导体智能感知部全球市场和应用工程副总裁易继辉说道。

聚焦三大市场

安森美半导体主要聚焦三大应用市场:汽车、机器视觉和边缘人工智能。安森美半导体能针对上述三大应用市场提供全系列的智能感知方案,包括超声波、图像传感器、毫米波雷达、激光雷达和传感器融合。易继辉介绍说,如果把人工智能比作大脑,那安森美半导体智能感知部就是为大脑提供眼睛的部门。

汽车市场

汽车行业属于非常传统和老旧的行业,但是最近几年,电动化和智能化让汽车行业焕发了新动力,特别是智能化趋势促使各种感知产品的应用,使汽车变得更加安全、更加舒适。

汽车传感市场增长快速。“我们在汽车智能感知方面的成长速度,远比汽车本身的成长速度快得多,这是因为汽车采用新技术的速度非常快。”易继辉说。

安森美半导体在汽车感知领域处于行业领先地位。来自市场调研公司TSR(Techno Systems Research)的调查显示,2019年安森美半导体在汽车成像(专门给人眼看的)市场拥有62%的市场份额;在汽车感知(也就是给人工智能和机器视觉用的感知系统)市场拥有80.8%的市场份额,并且市场份额还在逐年扩大。

2019年安森美半导体向汽车用户交付了约1亿颗传感器,并推出了全球第一款具有宽动态效果和具有网络安全功能的产品,同时进一步扩展毫米波雷达和激光雷达市场。

(一)汽车感知市场爆发式增长

汽车感知市场正呈现出爆发式的增长态势。汽车感知,简单说就是为汽车提供感知功能,让汽车自动做出响应。对于如何定义未来的汽车这个问题,易继辉认为,“未来的汽车是架在四个轮子上、而且具有极强感知能力的计算机”。我们看到,汽车中正在装备着ADAS摄像头、倒车摄像头、环视360°摄像头、摄像监控系统、电子车镜、驾驶员监控、乘务员监控、毫米波雷达和激光雷达等传感设备,未来的一辆汽车中动辄就要安装几十个传感产品,真可谓是“武装到了牙齿”。现在最好的汽车感知系统已经远远超过了人类的感知能力,能够分分秒秒、时时刻刻不间断地监控周围环境,而且不会疲劳。

其实人类在汽车感知上所作的一切努力,无非是希望汽车能更安全、更可靠地自动驾驶,还能更加智能地向人发出必要的提示信息。这必然少不了各种感知技术的支持。

(二)多样化的自动驾驶成像应用

汽车自动驾驶成像涉及很多应用,包括外部感知、内部感知和增强视觉。外部感知非常复杂,包括远近、车辆大小、自行车;行人,大人、小孩、老人;路标、车线,斑马线,交通灯;并且要全天候成像,无论白天黑夜,无论刮风下雨、下雪、雾天;一年四季,感知不停歇。

内部感知,从最早的只是对驾驶员的疲劳监控(从看驾驶员眼睛的注意力和睫毛的抖动侦查出是否疲劳),逐渐扩大到驾驶员是否在用手机、是否分散精力、是否系好安全带,并进一步扩大到乘客的感知。这也是未来的一个新兴市场。

视觉增强,主要是为了给驾驶员和乘客提供更好的视觉功能,包括电子后视镜,不需要回头就能在后视镜直接看到真正的电子图像,让驾驶员能够更安全地驾驶。

(三)迅速扩展的智能座舱应用

 智能座舱正越来越受到消费者的重视。智能座舱应用包括驾驶员监控和乘员监控。驾驶员监控包括驾驶员的识别,并根据识别结果自动调节车椅的位置、空调温度、喜欢的电台等,以及驾驶员安全监控、驾驶员情绪监控等。乘员监控包括车内录像、后座提醒、儿童在场检测、宠物检测、物品检测等,一旦将小孩、宠物或物品忘记在车内,车子会自动发送短信提醒。这些都是智能驾驶舱可以逐渐提高的一些能力。

(四)汽车成像面临的主要挑战

因为汽车的行驶环境充满着不确定性,因此汽车成像应用主要面临三大突出挑战。一是要能实现宽动态成像。车辆在自然环境下行驶,有时候光照的明暗差别跨度会非常大,如果成像器件的动态范围不够宽,就无法兼顾亮场景和暗场景的图像拍摄。

二是要能适应大温差变化。车辆既要能在零下几十度的环境正常行驶,也能在沙漠或高温条件下正常行驶,这对成像器件的温度适应范围提出了严苛要求。

三是要能辨别LED指示牌、交通灯。这对图像传感器来说是一个很独特的挑战。有助于人眼识别的LED电子管控牌、交通灯的使用越来越多,这给图像传感器捕捉完整的LED显示信息带来了巨大挑战,因为各个LED闪烁频率没有标准,不一样,图像传感器很容易因为频率不同步而捕捉不到信号。

(五)安森美半导体的智能感知方案

针对汽车感知市场的各种应用需求和面临的挑战,安森美半导体为整个汽车应用提供了全面的智能感知方案。

A,宽动态技术

针对照明环境明暗差别较大的成像应用,安森美半导体开发出了具有宽动态范围的图像传感器Hayabusa系列,一次曝光能实现95dB的动态范围,多次曝光可以达到120dB,并有望在下一代产品中实现一次曝光达到110dB的动态范围。这样,在成像中就能明暗兼顾,清清楚楚看清车辆周围的环境,从而为人工智能、算法提供非常准确和全面丰富的信息,可以做出非常准确和安全的判断。

该技术能满足隧道行车、强光照射、夜间驾驶周边环境识别等应用需求。

B,近红外+像素技术

针对夜视场景应用场景,安森美半导体推出了近红外+像素技术,其将近红外波段的光电转换效率提高了4倍。

该技术不但能让驾驶远在夜间更清晰地看到外部环境,也能在夜间更好地监视驾驶员,为夜间行车提供安全保障,避免事故。此外,还能对外部微光实现360°感知,做黑暗中的眼睛。

CLED防抖技术

对于LED指示牌、交通灯的识别,涉及到处理LED闪烁频率和相机拍摄频率同步的问题,过去的方案是在软件里解决这个问题,安森美半导体曾在去年就推出了LFM(LED Flicker Mitigation)技术,即LED防抖技术,并在图像传感器的硬件层面解决了这个问题。

D 车内小型摄像头

 

针对智能驾驶舱应用,安森美半导体推出了两款百万像素的产品,其中AR0144AT在整个业界用量最大。

智能驾驶舱应用面临的一个挑战是摄像头尺寸太大,通常为18×18cm3,最小的也有3×3cm3。安森美半导体与合作伙伴一起开发了体积为0.5×0.5cm3的小型摄像头,能清晰地监控驾驶员的眼睛、乘员状态,并且安装在车内,乘客、驾驶员基本是看不到的。

E:完备的硬件和生态系统

安森美半导体不光提供单一的图像传感器,而且还提供IC、内存、电源管理IC等其他硬件,这在设计新的图像处理器时,可以和其他产品部门合作,来探讨怎么样开发相应的电子产品、器件,使摄像头能够达到最优化。这是其他图像处理器公司不具备的优势。“因此,我们能客户提供一站式的服务以及最优化的系统设计方案。”易继辉说。

安森美半导体还建立了自己的汽车生态系统合作伙伴网络,目前该生态系统中已经有50多家合作伙伴,像联创光学、博通、德州仪器、赛灵思、Intel等厂商都位列其中,从光学镜片到信号处理器,I/O、Interface接口、SoC处理器、软件系统,都已有很多合作伙伴。

F:激光雷达和毫米波雷达

在激光雷达方面,安森美半导体推出了SiPM(硅光电倍增管)技术,它的优势是增益是APD(雪崩光电二极管)的1万倍,灵敏度是APD的2000倍,工作电压要求非常低,只要30V,而APD要250V。它的一致性非常好,可大批量生产。目前单点产品可实现户外超过80m的探测距离,阵列产品可以实现户外超过100m甚至更远的探测距离。

安森美半导体的下一代毫米波雷达产品主要针对L3自动驾驶级别,其拥有获得专利的MIMO+技术。它能够提供四维信息,包括距离R、速度V、角度A和高度E,为探测车距和各种障碍物提供可靠的技术保障。

(六)自动驾驶趋势

自动驾驶已经是被广泛关注的热点话题,目前来看私家车自动驾驶的发展速度并不明显,而是在先以商业车的模式来落地,主要原因是目前智能感知系统成本高昂,只有商用车才能承受得起这样的成本。

商用车主要分为三大类,一是自动驾驶的出租车(Robotaxi),其在国内的发展速度非常快,完全不输美国,国内很多自动驾驶车厂都同时在美国拿到了许可证,且在中国和美国两地都有研发中心。国内现在已有18个城市发放了自动驾驶许可证,有将近500辆全自动驾驶的出租车在路上跑,光百度就有将近200辆,发展非常快。

二是物流机器人,新冠疫情的爆发,促使了物流机器人的应用越来越普及,特别是在一些小区、校园、工业园区、医院、机场,物流机器人已经不再新鲜。

三是大型商业车,现在的发展速度也非常快。自动驾驶车的感知能力不亚于驾驶员,并且没有疲劳现象。自动驾驶的商用车已经开始在美国、欧洲、中国投入使用。有市场调查显示,安森美半导体在该领域的市场份额为80%,在中国市场的份额为90%。

工业机器视觉市场

机器视觉并不是一个新兴行业,但是因为工业4.0、自动化、人工智能的导入,为这个行业注入了新的活力,特别是在中国市场,机器视觉这几年的发展速度非常快。市场研究公司Yole Development的数据显示,安森美半导体在工业机器视觉领域的市场份额处于业界领先。

平板显示器检测是整个工业机器视觉行业中,对图像传感器最具挑战性的应用。它从1K、2K、4K一直到8K,像素在逐渐扩大。特别是OLED,每个像素都是一个单独发光源。像素和像素之间发光的强度和色彩的均匀度,都必须能够很准确地侦测出来,这就对图像传感器的要求非常高,其像素数量从4,500万要到1.5亿,甚至超过2亿像素。

在过去几年中,图像传感器的发展大趋势是,像素分辨率逐年提升,成像质量不断提高,带宽也在逐年提高。安森美半导体在图像传感器方面拥有雄厚的技术积累:全局快门技术,保证在高速运动下图像不会有拖影;内校正,将图像校正直接做到硬件里,在像素内部校正,而不是通过软件校正;工艺节点,从110nm到65nm,再到45nm甚至更小,充分利用了摩尔定律的优势,使成本、尺寸、功耗都逐年下降;背照式,大幅提高感光能力。以后还会在芯片层面整合一些人工智能算法,整个图像传感器将更加智能化。

PCB检测也是工业机器视觉另一的一项重要应用。提高劳动生产率是降低成本重要因素之一。单位时间内检测的PCB板面积越大,劳动生产效率就越高。而对于图像传感器来讲,单位时间内收集的信息量越大,生产效率就越高。安森美半导体推出的XGS45000图像传感器,每秒能够处理2100万像素的数据量,能大幅提升PCB检测的效率。

XGS45000图像传感器还适用于监控/广播应用,其在分辨率、带宽和图像质量方面都表现突出。在图像质量相同的情况下,像素越大版面越大。XGS45000能实现8K视频,能实现每秒60帧、12bit的高速度,其已被客户选中用于未来的东京奥运会现场。

安森美半导体还即将推出一款4K传感器,能实现高动态场景效果。从非常低的0.2cd/cm2的光照量到非常高的190,000cd/cm2光照量的明暗场景范围内,这款传感器都能看得非常清楚,已经远超过了人眼的能力。它的另一个特点就是过渡噪声非常小,明暗交界处的轮廓非常清晰。这样清晰的数据给人工智能提供了大量的可靠数据,在这种场景下,如果人工智能完全没有办法辨识和识别物体,这款传感器就能够提供更多的信息。

另外这款传感器还有很好的低照度能力,能够平衡微光和高光性能,在非常暗的光线下也能看得清清楚楚,非常适合户外夜景拍摄。

边缘人工智能市场

边缘人工智能是新兴市场,主要是由人工智能、5G、IoT等新技术导入后开发出新的应用,发展非常迅速。这是非常有潜力的市场,安森美半导体已经做了非常长时间的布局和投入。

边缘人工智能几乎每年都会出现一些新领域,比如新零售、农业和畜牧业都开始了智能化。一些新兴设备,特别是在新冠疫情后出现了一些大趋势:一是远程化,远程教学、远程医疗会越来越普遍;二是无人化,例如无人送货车、无人商店,减少人和人之间的接触,即无接触化,减少传染。还有就是COVID-19的检测,安森美半导体也在开发COVID-19病毒检测设备。

在一次水果新鲜度分类试验中,用NVIDIA Xavier Edge GPU做人工智能训练,推理精准度可达97%,其中安森美半导体的AR1335 (1300万像素)图像传感器能提供非常好的图像质量,使人工智能的判断精度得以提高。

人脸识别是另一个市场趋势,通过人脸识别,能够以无接触的方式实现很多功能,如机场、火车站、高铁站的检票、人脸识别付款、人脸识别开门等应用,这个市场的成长潜力非常巨大。在人脸识别付款应用中,安森美半导体的AR0230 HDR图像传感器能提供宽动态范围,实现很好的图像质量,进而有助于提高人工智能的判断精度。

未来趋势与总结

3D成像、高光谱和多光谱成像都是未来的发展方向,现有的方案都是在系统上解决。比如3D是通过双目或结构光来解决,高光谱、多光谱是用多个镜头或多个相机在系统里合成。安森美半导体的想法是如何在半导体层面用摩尔定律来解决这些问题,因为这能带来成本、尺寸和功耗方面的大幅降低。

安森美半导体非常自豪能够连续五年获得“世界最道德企业”的殊荣;在汽车、机器视觉、边缘人工智能等重要的应用领域,安森美半导体都是市场领导者。“我们对中国市场有坚定的承诺,我们有三个制造厂和庞大的销售团队、售后服务团队,有顶级的技术、支持和应用开发工程师。”易继辉总结说,“我们能够服务好中国市场。”