拆解:智慧熱成像攝影機

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio、Junko Yoshida,作者依序為EE Times Europe編輯暨EEWeb主編、ASPENCORE全球總編輯暨EE Times首席國際特派記者

海康威視(Hikvision)開發的熱成像攝影機之所以吸引System Plus Consulting的原因在於其人工智慧(AI)功能。在System Plus Consulting看來,該熱成像攝影機的亮點在於結合了東西方設計的精華——「中國製造的微測輻射熱計和攝影機處理器,以及非中國的AI/類比等處理元件…

全球監控攝影機市場規模在2019年達到了200億美元,中國海康威視(Hikvision)是其中最大的供應商之一。

無論是在中國還是世界其他地區,過去幾年來對安全監控系統的需求都在迅速成長。許多政府機構和公司發現,在建設所謂的「智慧城市」以實現無所不在的安全監控時,攝影機必不可少。

海康威視在2016年開發的熱成像攝影機之所以吸引System Plus Consulting分析師,一個主要的原因就是人工智慧(AI)。海康威視將AI硬體和軟體結合,開發出首款具有AI功能的攝影機。Yole Développement旗下分析機構System Plus Consulting對這台攝影機進行了深入研究,以瞭解其背後所採用的技術。

在System Plus Consulting看來,海康威視攝影機的亮點在於結合了東西方設計的精華——「中國製造的微測輻射熱計(microbolometer)和攝影機處理器」與「非中國的AI/類比/其他處理元件」。

海康威視在這一專業領域的競爭對手有中國的大華(Dahua)和宇視科技(Uniview),以及德國的博世(Bosch)和瑞典的Axis。

System Plus Consulting認為,由於海康威視能夠設計和製造自己的產品,因而顯得與眾不同。海康威視擁有自己的MEMS生產線,可完成MEMS封裝/測試,還有多條表面黏著技術(SMT)產線和較強的組裝能力。

英特爾(Intel)、海思(HiSilicon;華為旗下晶片公司)和Movidius (已被英特爾收購)提供海康威視攝影機獨有的三個關鍵元件:

  • 英特爾的可重配方案完成微測輻射熱計輸出數位化之後的數位訊號處理,並與Maxim Peltier控制器一起進行熱管理。
  • 海思為其設計了一款晶片以實現影像訊號處理、視訊編碼和加密,並提供乙太網路介面。
  • Movidius處理器實現AI應用的視覺處理。

以下深入海康威視熱成像攝影機的內部。

熱成像攝影機

熱成像攝影機能夠檢測到人體產生的熱量,透過複雜的訊號分析將其轉換為影像——這些影像是利用溫度檢測和分析產生。在過去幾年中,由於採用了微測輻射熱計,大大降低了熱成像應用的成本。

微測輻射熱計是檢測紅外線的感測器,由熱敏感點網格(稱為畫素)組成,每個敏感點又由不同的層和不同的吸收材料組成,如氧化釩或非晶矽(α-Si)。

採訪System Plus Consulting時,筆者詢問了海康威視DS-2TD2166-15/V1熱成像網路攝影機所採用的技術及結構,System Plus Consulting的技術人員講解了系統的電子和物理硬體結構,並重點介紹了系統的不同元件。

海康威視DS-2TD2166-15/V1熱成像網路攝影機採用基於氧化釩非製冷焦平面陣列的影像感測器(圖1),利用智慧分析演算法支援機場、鐵路等多個關鍵基礎設施中的應用。該熱成像攝影機包含多個晶片組,如640 × 512畫素陣列(17μm間距) RTD6171MR微測輻射熱計、FPGA Cyclone V 550MHz 224I/O (FBGA484)、SDRAM 2Gb (128M × 16) 800MHz 13.75n s(TFBGA96)、用於Peltier模組的溫度控制器(TQFN48)、專業高畫質 IP攝影機SoC、視覺處理器單元2 × 32Bit RISC Proc. 4Gb LPDDR3和DDR4 DRAM 8Gb (512M × 16) 2,400Mbps。

這種熱成像攝影機所採用的技術和結構使其能及時檢測公司和工業環境中的過熱和溫度變化,是防範火災的理想選擇。

其視訊內容分析(VCA)功能支援兩種完全不同的過程:一種是檢測時間和空間中的事件,另一種是分析視訊。它具有4種VCA規則類型(越界、入侵、進入區域和離開區域),支援多達8種VCA規則。

攝影機擷取熱影像,讓使用者可以在完全黑暗的環境和嚴苛的條件下檢測到人、物和意外情況。因為它僅對物體發出的紅外線敏感,所以無論現場的光線怎樣,都能查看和記錄影像。

利用其溫度測量功能可以測量被監控點的實際溫度,當溫度超過閾值時,會發出警報。以下來看攝影機硬體結構。

 

圖1:海康威視DS-2TD2166-15/V1熱成像網路攝影機。

(圖片來源:System Plus Consulting)

 

海康威視硬體

熱成像攝影機內部包含6個電路板,每個電路板都有不同的用途,以下分析其中的一些電路板(圖2和圖3)。Cyclone V SoC FPGA採用台積電28nm低功耗(28LP)製程,由一個雙核心Arm Cortex-A9 MPCore處理器、多個外部周邊和一個共用的多埠SDRAM控制器組成。使用這種FPGA,提高了處理器和FPGA之間整合資料的一致性,降低了功耗,並可支援超過100Gbps的峰值頻寬。

 

圖2:海康威視的幾款電路板。(圖片來源:System Plus Consulting)

圖3:海康威視電子電路板2。

(圖片來源:System Plus Consulting)

 

訊號調節/放大元件由各種IC組成,包括AD8605ARTZ-REEL通用放大器、LT6203IMS8雙通道放大器(100MHz),以及LT1994IMS8差分放大器(70MHz)。AD8605ARTZ可提供極低的偏置電壓、低輸入電壓和電流雜訊,以及寬訊號頻寬,採用ADI專利DigiTrim修整技術,透過對加權電流源進行數位化來調節電路性能。

LT6202具有1.9nV/√Hz雜訊電壓,每個放大器僅消耗2.5mA電源電流。該放大器將低雜訊和電源電流與100MHz增益頻寬乘積、25V/µs壓擺率相結合,針對低電源訊號調節系統進行了最佳化。這種放大器在1MHz時諧波失真小於-80dBc,適用於低功耗資料擷取系統,例如本文的熱成像攝影機。

LT1994適用於驅動差分輸入、單電源ADC,是以接地為基準的訊號進行電平轉換的理想選擇。LT1994的輸出共模電壓與輸入共模電壓無關,透過在VOCM接腳上施加一個電壓來調節,其資料手冊中對此有相關描述。

ADS1112IDGSR 16位元ADC和LT3042IDD加上FPGA用於調節電路。ADS1112專為對空間和功耗有較高要求的高解析度測量應用而設計,LT3042IDD是一款低壓差線性穩壓器,可為雜訊敏感的RF應用供電。在電路板3和電路板1上,還有其他IC來支援相關整合子系統的電源,例如線性穩壓器和降壓轉換器。

其成本的80%主要由微測輻射熱計(氧化釩)產生,Peltier電池及其溫度控制電路為它提供支援。

鏡頭

支援微測輻射熱計的主要模組由各種鏡頭組成,用來最佳化感測器上的紅外線光束。圖4和圖5顯示了直徑為19.6mm的鍺(Ge)鏡頭,以及兩個直徑不同的三硒化二砷(As2Se3)鏡頭,其中一個直徑為17.6mm,另一個為27.6mm。

 

圖4:攝影機模組。

(來源:System Plus Consulting)

 

圖5:鏡頭模組。

(來源:System Plus Consulting)

 

在光學中,F值(有時稱為焦比或相對光圈)是光學系統的參數,表示光的接收面積,即焦距除以孔徑。

孔徑較大的鏡頭可以讓更多的光或紅外線通過,大量的紅外線可根據訊號雜訊比(SNR)改善測量效果。參數「雜訊等效溫差」(NETD)可用於判定測量品質,通常以mK表示,衡量熱影像探測器分辨熱輻射影像細微差別的能力,基於微測輻射熱計的非制冷熱成像攝影機的典型值約為45mK。

微測輻射熱計

非製冷感測器(uncooled sensor)由電阻畫素網格構成,這類感測器稱為微測輻射熱計。吸收元件上的每次入射輻射都會使其溫度上升到超過電阻的溫度,吸收功率越高,溫升越高,電阻值隨入射輻射(特別是使表面溫度升高的紅外線)而變化。每個畫素均由CMOS輸入單元(讀取積體電路,ROIC)表示,並透過調節電路進行處理,以便由FPGA在電腦或監視器上產生影像(圖6和圖7)。通常可對微測輻射熱計的結構進行最佳化,以便在8~14µm的光譜帶中獲得更高的靈敏度。海康威視DS-2TD2166-15/V1中使用的感測器是IRAY RTD6171MR,支援640 × 512畫素陣列(17μm間距)、60Hz類比輸出的表面黏著元件。

 

 

圖6:微測輻射熱計IRAY RTD6171MR。

(來源:System Plus Consulting)

 

圖7:拆開的RTD6171MR 17µm微測輻射熱計,其中,吸氣劑可顯著減少滲出的氣體,使封裝內部保持低壓。

(來源:System Plus Consulting)

 

由System Plus Consulting總結的微測輻射熱計物理特性如下:

  • 裸晶面積:175.2mm² (13.6 × 12.8mm)
  • 畫素面積:96.4mm² (10. 9× 8.85mm)
  • 畫素陣列:641 × 52
  • 主動畫素陣列:640 × 512
  • 焊墊數目:107
  • 打線接合:32

分析微測輻射熱計內部,可發現吸收材料的下方有一個反射器,它與基板接觸,可以對雜散光重新定向,從而最佳化訊號。吸收材料「懸浮」在基板上以實現隔熱,而真空封裝的畫素網格可提高耐用性和可靠性。熱成像攝影機採用的大多數微測輻射熱計都使用氧化釩作為吸收材料,因為這種材料具有較好的熱對比度,可確保影像更準確、更清晰。

對於典型的電阻,氧化釩探測器的阻抗約為100kΩ,而α-Si探測器的阻抗通常為30MΩ。在這些條件下,氧化釩材料的Johnson雜訊電壓較低,因此測量時的雜訊較小,Johnson雜訊電壓取決於三個條件:電阻值、電路頻寬和溫度。

攝影機包含一個溫度基準元件,透過內建晶片基準電壓源的AD5645RBRUZ四通道14位元DAC和用於Peltier模組的MAX1978ETM+T溫度控制器來穩定Peltier溫度。

Peltier電池是價格低廉的熱電元件,在發電、製冷和精確的溫度控制等應用中使用,可將物體溫度恆定保持在設定值。Peltier電池的工作原理基於熱電現象,即在兩種不同金屬材料的PN結中形成電壓差。

MAX1978包含晶片功率FET和熱控制迴路,可最大程度減少使用外部元件,同時保持高效率。超低漂移斬波放大器可將溫度穩定性保持在±0.001℃。溫度感測器安裝在鏡頭模組上,基於NTC/PTC熱敏電阻,還有一個數位溫度感測器TMP75AIDRG4,可監測由FPGA直接管理的系統(環境)溫度。

相較於其他類型的紅外線檢測裝置,氧化釩微測輻射熱計無需製冷。氧化釩在不同溫度下顯示出不同的特性。鍍膜玻璃可以在某些特定溫度下阻擋紅外線(而不是可見光),使攝影機電子元件能夠對電磁光譜中的影像進行偽彩色處理與重現。

其他模組

熱成像攝影機利用SP3232EEN-L介面IC支援工業介面RS232傳輸,同時透過RTL8201FI-VC-CG支援乙太網路傳輸。電路板6 (圖2)包含的AC/DC電源系統內建瞬態電壓抑制二極體(TVS),可以避免電子電路遭受瞬變和過電壓威脅,如電快速瞬變(EFT)和靜電放電(ESD)。

熱成像攝影機還包含乙太網路供電(PoE)介面,該介面由TI的TPS2378DDDAR PoE高功率PD介面和TL2845BDR-8電流模式PWM控制器支援。TL2845BDR-8電流模式PWM控制器以最少數量的外部元件,提供了實現離線式或DC-DC固定頻率電流模式控制方案需要的所有功能。

TPS2378DDAR的內部開關電阻較低,只有0.5Ω,PowerPAD封裝的散熱性能也提高了,因而PoE系統能夠連續處理高達0.85A的電流。PoE是一種透過雙絞線輸電的技術,提供電源的裝置稱為供電端設備(PSE),被供電的裝置稱為受電端裝置(PD)。當PD連接到PSE時,PoE標準規定了流入PD的突波電流,以防止出現大電流尖峰。另外,PoE標準在PSE和PD之間提供了類比交握(分級)以協商功率。

該熱成像攝影機由適合專業高畫質IP攝影機的HI3519 V111 SoC提供視訊支援,它使用H.265視訊壓縮編碼器,以及先進的低功耗技術和架構設計。Hi3519 V101利用硬體和演算法來設計各種型號的IP攝影機和音訊轉碼器,以支援90°或270°旋轉和鏡頭失真校正。該SoC由兩對4Gb DDR4記憶體和GD5F2GQ4UB9IGR快閃記憶體NAND 2Mb SPI支援。

電路板4 (圖2)上包含運作在933MHz頻率下的英特爾Movidius MA2450 VPU 2 × 32Bit RISC Proc. 4Gb LPDDR3,系統利用它可以快速辨識物體和人,分析公共人群資訊,檢查製造的產品等。電腦視覺利用深度學習形成神經網路,指導系統進行影像處理和分析。

採用製冷和非製冷探測器的各種熱成像攝影機在市場上各領風騷。內建製冷感測器的熱成像攝影機價格更高,現代製冷熱成像攝影機的影像感測器中整合了一個低溫製冷器。

由於採用了微測輻射熱計,熱成像攝影機能以低成本提供高精準度。攝影機測量發熱物體的表面溫度,並將其作為影像投影到熱成像顯示器上。

(參考原文:Under the Hood: Microbolometer-based Thermal AI Camera,By Maurizio Di Paolo Emilio & Junko Yoshida)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年4月號雜誌

 

 

 

 

 

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論