Apabila jurutera menilai modul kamera, penggunaan kuasa sering dianggap sebagai spesifikasi mudah yang disenaraikan dalam lembaran data. Pada hakikatnya, penggunaan kuasa modul kamera adalah hasil daripada berbilang subsistem yang berfungsi bersama, termasuk penderia imej, ISP, penimbal memori, antara muka-tinggi, jam, pengawal selia voltan dan pemproses hos.
Memahami sumber asas penggunaan kuasa adalah penting untuk sistem penglihatan terbenam, kamera industri, peranti tepi AI,-produk berkuasa bateri dan aplikasi penglihatan mesin. Pemahaman yang lemah tentang gelagat kuasa boleh menyebabkan terlalu panas, kualiti imej yang tidak stabil, hayat bateri yang dipendekkan dan kegagalan sistem yang tidak dijangka.
Lebih penting lagi, ramai jurutera tersilap menganggap bahawa penggunaan kuasa berskala terus dengan resolusi sensor. Dalam amalan, faktor dominan selalunya ialah jumlah pemprosesan imej-jumlah data imej yang mesti ditangkap, diproses, dihantar dan dianalisis setiap saat.
Penggunaan Kuasa Bermula dengan Throughput Pixel
Pada peringkat penderia, penggunaan kuasa berkait rapat dengan pemprosesan piksel dan bukannya resolusi sahaja.
Contohnya:
- 2MP @ 30FPS=lebih kurang 60 juta piksel sesaat
- 5MP @ 30FPS=lebih kurang 150 juta piksel sesaat
- 8MP @ 60FPS=lebih kurang 480 juta piksel sesaat
Setiap piksel mesti didedahkan, ditukar daripada bentuk analog kepada digital, dipindahkan melalui litar bacaan sensor, diproses oleh ISP, dihantar melalui antara muka, dan akhirnya dikendalikan oleh pemproses hos.
Apabila daya pemprosesan piksel meningkat, hampir setiap blok dalam saluran paip pengimejan menggunakan lebih banyak kuasa. Inilah sebabnya mengapa kamera 8MP yang beroperasi pada kadar bingkai tinggi mungkin menggunakan beberapa kali lebih kuasa daripada kamera 2MP, walaupun kedua-duanya menggunakan teknologi semikonduktor yang serupa.
Penderia Imej Bukan Sekadar Piksel
Penderia imej sering dilihat sebagai pengguna kuasa utama, tetapi memahami di mana kuasa penderia dibelanjakan memerlukan melihat lebih mendalam ke dalam seni bina dalamannya.
Penderia imej CMOS moden mengandungi:
- Tatasusunan piksel
- Pemacu baris dan lajur
- Penguat analog
- Litar pensampelan berganda berkorelasi
- Analog-ke-penukar digital (ADC)
- Penjana masa
- Penseri-output berkelajuan tinggi
Di antara blok ini, ADC dan litar keluaran-kelajuan tinggi selalunya menyumbang sebahagian besar penggunaan kuasa penderia. Apabila kadar bingkai meningkat, litar ini mesti beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, menyebabkan penggunaan kuasa dinamik meningkat dengan ketara.
Pengimejan cahaya-rendah juga boleh meningkatkan keperluan kuasa penderia. Masa pendedahan yang lebih lama, keuntungan analog yang lebih tinggi dan mod HDR lanjutan selalunya memerlukan operasi sensor tambahan yang menggunakan lebih banyak tenaga daripada mod pengimejan standard.
Mengapa Pemprosesan ISP Boleh Menjadi Pengguna Kuasa Terbesar
Dalam kebanyakan sistem kamera moden, Pemproses Isyarat Imej (ISP) menggunakan kuasa sebanyak penderia itu sendiri-atau lebih banyak lagi.
Data sensor mentah tidak boleh digunakan secara langsung. Sebelum imej mencapai lapisan aplikasi, ia biasanya melalui berpuluh-puluh peringkat pemprosesan:
- Demosaicing
- Pendedahan Auto (AE)
- Imbangan Putih Auto (AWB)
- Pembetulan Teduhan Lensa (LSC)
- Pembetulan Piksel Kecacatan (DPC)
- Pengurangan Bunyi
- Mengasah
- Pembetulan Warna
- Pemprosesan HDR/WDR
- Pelarasan Gamma
- Pemetaan Nada
Kebanyakan algoritma ini beroperasi pada setiap piksel setiap bingkai. Apabila resolusi dan kadar bingkai meningkat, kerumitan pengiraan berkembang dengan cepat.
Mod HDR dan WDR sangat menuntut kerana berbilang pendedahan mesti ditangkap dan digabungkan menjadi satu imej. Dalam sesetengah aplikasi, mendayakan HDR boleh meningkatkan beban kerja ISP lebih daripada 50%, menyebabkan peningkatan ketara dalam penggunaan kuasa sistem secara keseluruhan.
Kadar Bingkai Selalunya Lebih Penting Daripada Resolusi
Ramai jurutera memberi tumpuan kepada megapiksel sambil melihat kadar bingkai.
Dari perspektif kuasa, kadar bingkai boleh memberi kesan yang lebih besar daripada peleraian kerana ia secara langsung menentukan kekerapan keseluruhan saluran pengimejan mesti beroperasi.
Pertimbangkan kamera 2MP:
- 2MP @ 30FPS
- 2MP @ 60FPS
- 2MP @ 120FPS
Menggandakan kadar bingkai dengan berkesan menggandakan aktiviti pembacaan sensor, beban kerja pemprosesan ISP, kekerapan akses memori dan keperluan penghantaran antara muka.
Ini menerangkan sebab-kamera industri berkelajuan tinggi sering memerlukan penyejukan aktif walaupun resolusinya agak sederhana.
Kos Tersembunyi Memori dan Pergerakan Data
Satu sumber penggunaan kuasa yang sering diabaikan ialah akses memori.
Banyak operasi pemprosesan imej memerlukan penimbal bingkai sementara yang disimpan dalam memori DDR. Setiap operasi baca dan tulis menggunakan tenaga.
Untuk sistem penglihatan AI, data imej mungkin dipindahkan beberapa kali:
- Sensor kepada ISP
- ISP ke memori DDR
- DDR kepada pemecut AI
- Pemecut AI kepada CPU
- CPU untuk paparan atau penyimpanan
Dalam kebanyakan peranti AI kelebihan, memindahkan data imej melalui memori menggunakan lebih banyak kuasa daripada algoritma pemprosesan imej sebenar itu sendiri.
Penggunaan Kuasa Antara Muka Tidak Diabaikan
Antara muka-kelajuan tinggi seperti USB 3.0, MIPI CSI-2 dan Gigabit Ethernet memerlukan litar lapisan fizikal khusus yang beroperasi pada frekuensi yang sangat tinggi.
Apabila daya pemprosesan imej meningkat, keperluan jalur lebar antara muka meningkat dengan sewajarnya.
Contohnya, menghantar video 4K yang tidak dimampatkan memerlukan lebih banyak kuasa antara muka daripada menghantar video 1080P yang dimampatkan. Dalam sesetengah sistem, kuasa antara muka boleh menjadi peratusan yang bermakna daripada jumlah penggunaan modul kamera.
Penggunaan Kuasa Secara Langsung Mempengaruhi Kualiti Imej
Penggunaan kuasa bukan semata-mata kebimbangan elektrik. Ia secara langsung mempengaruhi tingkah laku terma.
Apabila suhu sensor meningkat:
- Arus gelap bertambah
- Bunyi imej menjadi lebih jelas
- Nisbah isyarat-kepada-bunyi berkurangan
- Prestasi cahaya-rendah semakin merosot
- Kebolehpercayaan jangka-panjang mungkin berkurangan
Inilah sebabnya mengapa reka bentuk terma sering tidak dapat dipisahkan daripada pemilihan modul kamera. Kamera yang menggunakan hanya satu watt tambahan boleh meningkatkan suhu operasi dengan ketara di dalam kepungan padat.
Petua Pemilihan Modul Kamera
Daripada memilih penderia-resolusi tertinggi yang tersedia, jurutera harus bermula dengan keperluan aplikasi dan kekangan sistem.
- Tentukan ketumpatan piksel sebenar yang diperlukan pada jarak sasaran
- Tentukan kadar bingkai minimum yang boleh diterima
- Nilai keperluan HDR/WDR dengan teliti
- Pertimbangkan sasaran masa operasi bateri
- Menilai had terma kepungan
- Sahkan keupayaan jalur lebar pemproses dan memori
- Anggarkan jumlah pemprosesan imej sebelum memilih penderia
Dalam kebanyakan aplikasi penglihatan terbenam, modul kamera 2MP atau 5MP yang dioptimumkan dengan betul boleh mencapai prestasi pengimejan yang diperlukan sambil menggunakan kuasa yang jauh lebih sedikit daripada alternatif-resolusi yang lebih tinggi.
