Mühendisler bir kamera modülünü değerlendirirken, güç tüketimi genellikle veri sayfasında listelenen basit bir özellik olarak ele alınır. Gerçekte, kamera modülünün güç tüketimi; görüntü sensörü, ISP, bellek arabellekleri, yüksek-hızlı arayüzler, saatler, voltaj regülatörleri ve ana bilgisayar işlemcisi dahil olmak üzere birden fazla alt sistemin birlikte çalışmasının sonucudur.
Güç tüketiminin altında yatan kaynakları anlamak, yerleşik görüntü sistemleri, endüstriyel kameralar, yapay zeka uç cihazları, pille- çalışan ürünler ve makine görüşü uygulamaları için kritik öneme sahiptir. Güç davranışının yeterince anlaşılmaması aşırı ısınmaya, dengesiz görüntü kalitesine, pil ömrünün kısalmasına ve beklenmeyen sistem arızalarına neden olabilir.
Daha da önemlisi, birçok mühendis yanlışlıkla güç tüketiminin doğrudan sensör çözünürlüğüne göre ölçeklendiğini varsaymaktadır. Uygulamada baskın faktör genellikle toplam görüntü verimidir-her saniye yakalanması, işlenmesi, iletilmesi ve analiz edilmesi gereken görüntü verisi miktarı.
Güç Tüketimi Piksel Verimi ile Başlar
Sensör düzeyinde güç tüketimi, yalnızca çözünürlükten ziyade piksel verimiyle yakından ilişkilidir.
Örneğin:
- 2MP @ 30FPS=saniyede yaklaşık 60 milyon piksel
- 5MP @ 30FPS=saniyede yaklaşık 150 milyon piksel
- 8MP @ 60FPS=saniyede yaklaşık 480 milyon piksel
Her piksel açığa çıkarılmalı, analogdan dijital forma dönüştürülmeli, sensör okuma devreleri aracılığıyla aktarılmalı, ISP tarafından işlenmeli, arayüz aracılığıyla iletilmeli ve sonunda ana işlemci tarafından işlenmelidir.
Piksel verimi arttıkça görüntüleme hattındaki neredeyse her blok daha fazla güç tüketir. Bu nedenle, yüksek kare hızlarında çalışan 8 MP'lik bir kamera, her ikisi de benzer yarı iletken teknolojileri kullansa bile, 2 MP'lik bir kameradan birkaç kat daha fazla güç tüketebilir.
Görüntü Sensörü Piksellerden Daha Fazlasıdır
Görüntü sensörü genellikle birincil güç tüketicisi olarak görülüyor ancak sensör gücünün nereye harcandığını anlamak, dahili mimarisine daha derinlemesine bakmayı gerektiriyor.
Modern CMOS görüntü sensörleri şunları içerir:
- Piksel dizileri
- Satır ve sütun sürücüleri
- Analog amplifikatörler
- İlişkili çift örnekleme devreleri
- Analog-dijital-dönüştürücüler (ADC'ler)
- Zamanlama jeneratörleri
- Yüksek-hızlı çıktı serileştiricileri
Bu bloklar arasında ADC'ler ve yüksek-hızlı çıkış devreleri genellikle sensör güç tüketiminin önemli bir kısmını oluşturur. Kare hızları arttıkça bu devrelerin daha yüksek frekanslarda çalışması gerekir, bu da dinamik güç tüketiminin önemli ölçüde artmasına neden olur.
Düşük-ışıkta görüntüleme, sensörün güç gereksinimlerini de artırabilir. Daha uzun pozlama süreleri, daha yüksek analog kazanç ve gelişmiş HDR modları sıklıkla standart görüntüleme modlarından daha fazla enerji tüketen ek sensör işlemleri gerektirir.
ISP İşleme Neden En Büyük Güç Tüketicisi Olabilir?
Birçok modern kamera sisteminde Görüntü Sinyali İşlemcisi (ISP), sensörün kendisi kadar-hatta daha fazla güç tüketir.
Ham sensör verileri doğrudan kullanılamaz. Bir görüntü uygulama katmanına ulaşmadan önce genellikle düzinelerce işleme aşamasından geçer:
- Buz çözme
- Otomatik Pozlama (AE)
- Otomatik Beyaz Dengesi (AWB)
- Mercek Gölgeleme Düzeltmesi (LSC)
- Kusur Piksel Düzeltme (DPC)
- Gürültü Azaltma
- Bileme
- Renk Düzeltme
- HDR/WDR İşleme
- Gama Ayarı
- Ton Eşleme
Bu algoritmaların birçoğu her karenin her pikselinde çalışır. Çözünürlük ve kare hızı arttıkça hesaplama karmaşıklığı da hızla artıyor.
HDR ve WDR modları özellikle zorludur çünkü birden fazla pozlamanın yakalanıp tek bir görüntüde birleştirilmesi gerekir. Bazı uygulamalarda HDR'nin etkinleştirilmesi ISP iş yükünü %50'den fazla artırabilir ve bu da genel sistem güç tüketiminde gözle görülür bir artışa neden olabilir.
Kare Hızı Çoğunlukla Çözünürlükten Daha Önemlidir
Birçok mühendis, kare hızını gözden kaçırırken ağırlıklı olarak megapiksele odaklanır.
Güç açısından bakıldığında kare hızı, çözünürlükten daha büyük bir etkiye sahip olabilir çünkü tüm görüntüleme hattının ne sıklıkta çalışması gerektiğini doğrudan belirler.
2 MP'lik bir kamera düşünün:
- 2MP @ 30FPS
- 2MP @ 60FPS
- 2MP @ 120FPS
Kare hızının iki katına çıkarılması, sensör okuma etkinliğini, ISP işleme iş yükünü, bellek erişim sıklığını ve arayüz aktarım gereksinimlerini etkili bir şekilde iki katına çıkarır.
Bu, yüksek-hızlı endüstriyel kameraların, çözünürlükleri nispeten düşük olsa bile neden sıklıkla aktif soğutmaya ihtiyaç duyduğunu açıklıyor.
Belleğin ve Veri Taşımanın Gizli Maliyeti
Güç tüketiminin sıklıkla gözden kaçırılan kaynaklarından biri bellek erişimidir.
Birçok görüntü işleme işlemi, DDR belleğinde saklanan geçici çerçeve arabelleklerine ihtiyaç duyar. Her okuma ve yazma işlemi enerji tüketir.
Yapay zeka görüş sistemleri için görüntü verileri birden çok kez aktarılabilir:
- ISP'ye sensör
- ISP'den DDR belleğe
- DDR'den AI'ya hızlandırıcı
- CPU'ya AI hızlandırıcı
- Görüntülenecek veya depolanacak CPU
Birçok uç yapay zeka cihazında, görüntü verilerinin bellekte taşınması, gerçek görüntü işleme algoritmalarının kendisinden daha fazla güç tüketir.
Arayüz Güç Tüketimi İhmal Edilemez
USB 3.0, MIPI CSI-2 ve Gigabit Ethernet gibi yüksek-hızlı arayüzler, çok yüksek frekanslarda çalışan özel fiziksel katman devreleri gerektirir.
Görüntü verimi arttıkça arayüz bant genişliği gereksinimleri de buna göre artar.
Örneğin, sıkıştırılmamış 4K videonun iletilmesi, sıkıştırılmış 1080P videonun iletilmesine göre çok daha fazla arayüz gücü gerektirir. Bazı sistemlerde arayüz gücü, toplam kamera modülü tüketiminin anlamlı bir yüzdesi haline gelebilir.
Güç Tüketimi Görüntü Kalitesini Doğrudan Etkiler
Güç tüketimi yalnızca elektriksel bir sorun değildir. Termal davranışı doğrudan etkiler.
Sensör sıcaklığı arttıkça:
- Karanlık akım artıyor
- Görüntü paraziti daha görünür hale gelir
- Sinyal-gürültü-oranı azalır
- Düşük-ışık performansı kötüleşiyor
- Uzun-vadeli güvenilirlik azalabilir
Bu nedenle termal tasarım çoğu zaman kamera modülü seçiminden ayrılamaz. Yalnızca bir ek watt tüketen bir kamera, kompakt bir muhafazanın içindeki çalışma sıcaklığını önemli ölçüde artırabilir.
Kamera Modülü Seçimi İpuçları
Mühendisler, mevcut en-çözünürlüklü sensörü seçmek yerine uygulama gereksinimleri ve sistem kısıtlamalarıyla başlamalıdır.
- Hedef mesafede gereken gerçek piksel yoğunluğunu belirleyin
- Kabul edilebilir minimum kare hızını tanımlayın
- HDR/WDR gereksinimlerini dikkatlice değerlendirin
- Pil çalışma süresi hedeflerini göz önünde bulundurun
- Muhafaza termal sınırlamalarını değerlendirin
- İşlemci ve bellek bant genişliği yeteneklerini doğrulayın
- Bir sensör seçmeden önce toplam görüntü verimini tahmin edin
Pek çok yerleşik görüntü uygulamasında, uygun şekilde optimize edilmiş bir 2MP veya 5MP kamera modülü, daha yüksek çözünürlüklü bir alternatife göre çok daha az güç tüketirken gerekli görüntüleme performansını elde edebilir-.
