前線「芯」思路丨詳解讓機器視覺更智能、更低功耗的運動偵測喚醒技術

在機器視覺普及的時代，圖像傳感器作為其“眼睛”有著越來越多的各樣的應用。安森美(onsemi)的圖像傳感技術通過不斷地技術創新，力求滿足越來越廣泛的市場領域需要。如今，越來越多的家庭和企業安裝攝像頭做監控，據Yole統計，預計到2030年底，此市場將增長兩倍。因此，消費者需要有更優秀的圖像質量、更可靠和更長電池壽命的設備，來提升整體使用體驗。

由於這些相機通常會被放置在難以更換電池或充電的位置，因此低功耗成為一個關鍵需求。對此，安森美推出了一些低功耗的高質量圖像傳感技術，場景覆蓋智能門禁、安防攝像頭、增強現實（AR）/虛擬現實（VR）/擴展現實（XR）頭戴裝置、機器視覺和視頻會議等。比如其中的智能運動偵測喚醒技術（smart Wake on Motion），非常適用於對運動偵測有需求的低功耗物聯網設備，例如安防領域的智能門鈴門鎖等。

安森美的Hyperlux LP系列圖像傳感器即具備上述的Wake on Motion低功耗技術。在增強了設備的偵測能力的同時，有效地降低功耗。Hyperlux LP系列同時具有高解析度的非常優秀的圖像解析力，客戶可以根據使用情況，選用500萬解析度的AR0544、800萬解析度的AR0830或2000萬解析度的AR2020。另外此產品系列還採用堆疊式架構設計，能最大限度地減少產品體積，最小型號小如一粒米，成為受尺寸限制困擾的緊湊型設備的理想選擇，大大適應了相關領域產品的發展需求。下面，將針對Wake on Motion低功耗技術做一些較為詳盡的介紹。

 

Wake on Motion技術介紹

顧名思義，wake on motion即為運動偵測喚醒，即當傳感設備檢測到前方某距離內有移動物體時，則退出休眠狀態，進入工作狀態，這樣降低了功耗，保證了設備在需要工作的狀態才工作，其他時候可以通過休眠節電。

傳統的wake on motion實現一般基於被動紅外傳感器（PIR）。這種傳感器應用廣泛，但存在誤觸發率高的問題，導致系統功耗優化有限，產生50%左右的功耗額外消耗。

安森美智能運動偵測喚醒技術介紹

針對PIR的誤觸發問題，安森美推出智能運動偵測喚醒技術，其方案是採用圖像傳感器融合PIR進行運動偵測喚醒。核心關鍵在於在很低的功耗下賦予圖像傳感器運動偵測能力。該方案採用了獨有的Motion-DCT 算法，結合圖像傳感器的scale或binning技術在獲取的較低解析度圖像上快速實時準確地做出運動偵測。

該方案的特點為：

• 準確性高

• 速度快

• 功耗低

• 實時性強

 

方案示例如下圖。從圖中可見，左側採用了PIR和圖像傳感器兩方進行運動偵測並反饋到CPU處理器。

該方案有兩種使用策略：Cascade級聯和Parallel並行。具體含義為：

• Cascade：首先PIR+MCU檢測到物體移動，然後再採用圖像傳感器的檢測結果做為確認；

• Parallel：PIR和圖像傳感器的檢測結果同時傳送到CPU作為運動偵測結果的判斷依據。

 

 

此方案適用的參數範圍為：

• 10lux ~ 10000lux亮度範圍；

• 圖像傳感器一次檢測耗時在100ms內；

• 視場角在100度時，檢測距離在7-8米內；

• 物體尺寸在4K解析度下不能小於32x32像素大小；

• 物體最小移動速度不能低於每幀4個像素距離。
  
  
  

感興趣區域（Zones）選擇功能

AR0830運動偵測技術支持感興趣區域選擇功能，以進一步降低系統功耗。即：將整幅圖像分成若干區域，供用戶選擇是否使用該區域圖像做運動偵測，以避免無效區域，從而降低算法的計算量，提升檢測速度及降低功耗。

如下圖展示的一個區域選擇示例。圖中，將整幅圖像分成了5X5的區域塊，選取了A,B,C三個方塊區域作為MASK區域，即不感興趣區域，不參與運動偵測計算，其他方塊區域作為感興趣區域參與運動偵測計算。除ABC區域外的任何區域中檢測到運動物體，則該區域將得到一個運動標記。以上區域劃分和設定均可以由圖像傳感器的寄存器操作完成。

 

 

下圖是在實際應用場景中的示例：

 

 

可以看到，在該圖中，只有中間區域被選作了感興趣區域。而我們對畫面進行運動捕捉block 分區，只需關注開啟區域的運動檢測，像上圖中典型的可視門鈴場景內存在樹木花草，一旦有什麼“風吹草動”或者小動物經過，很可能系統就開啟誤報，而可編程的運動捕捉區域，可以很好的降低這種誤報。配合PIR，通過sensor自帶的運動捕捉和超級低功耗模式，可以讓整機系統電池使用時間延長40%。

工作原理詳述

安森美圖像傳感器AR0830採用的Motion-DCT運動偵測算法基本原理是計算每幀Gr像素的DCT和，並比較兩個連續幀之間DCT和的差異。如果差值等於或大於預定義閾值，則檢測到物體運動發生。

如前所述，安森美的智能運動偵測喚醒技術採用圖像傳感器融合PIR進行運動偵測喚醒，且該方案有兩種使用策略模式：Cascade和Parallel。下面詳細介紹一下。

Cascade級聯模式：當廉價的PIR運動檢測傳感器檢測到有運動時，它會發送觸發信號，將圖像傳感器從硬體/軟體待機狀態喚醒。圖像傳感器啟動Motion-DCT計算。如果確認了運動，圖像傳感器會向主機發送中斷信號。在某些幀之後，圖像傳感器將返回軟待機狀態，並等待PIR的下一個觸發（主機可能會將傳感器置於硬待機狀態）。在此模式下，Motion-DCT 偵測使能選項處於啟用狀態，但圖像數據流保持關閉狀態。

 

 

Parallel並行模式：圖像傳感器與PIR運動檢測傳感器並行工作（如果有）。當PIR傳感器或圖像傳感器檢測到運動時，來自相應傳感器的中斷信號被發送到主機。圖像傳感器將持續檢查成對活動幀內的運動，並在每個編程時隙強制傳感器軟待機一次，以節省電源。當檢測到運動時，主機可以切換到流模式並再次進入並行模式。

 

 

需要注意的是，Cascade和Parallel兩種模式互斥，同時只能選其一。

在實際產品應用的時候二者特點或區別在於：

並行模式：

• 可在低功耗模式下編程，即圖像傳感器在僅t1模式下輸出1個t1幀，或在基於幀的HDR模式下輸出一對t1/t1幀，進入待機狀態，達到md待機計數後喚醒。無論是否檢測到運動，序列都會重複。

• 當主機清除md_par_en時，圖像傳感器退出並行模式並進入正常流。

• 如果stream_mode（設置了md_par_en）或md_par_n（設置了stream_mode），md操作將重新啟動。
  
  

級聯模式：

• 傳感器需要設置Md_cas_en才能監聽Md_trigger引腳（通過GPI）。

• 在級聯模式下，用戶的MCU為傳感器提供有效的觸發脈衝。

• 當應用md_hd_en選項時，傳感器將檢測到較小的運動，並檢查額外的一組幀以確認運動。
  
  
  

性能介紹

下圖是當人在垂直於光軸方向水平走過攝像頭時候的運動偵測準確率情況：

 

 

下圖是當人沿光軸方向徑直走向攝像頭時候的運動偵測準確率情況：

 

 

可以看到：

• 在八米範圍都能有效檢測到移動物體；

• 在較近距離（1米，2米）相對於較遠距離（4米，8米）有更靈敏的檢測；

• 更高的環境亮度能帶來更靈敏的檢測能力。

 

另外，此方案的功耗性能為：

Host CPU wake up + image sensor – 800~1200mw

Host CPU wake up + image sensor +Wifi module – 1.2~1.8W

總體而言，在前述的適用參數範圍內，該方案具備良好的適用性和準確性能以及低功耗的顯著特點。