Sen Kamera Pena Bacaan ISP dan Seni Bina Pemproses Isyarat Imej Diterangkan

Audience: Artikel ini ditulis untuk jurutera perkakasan, pengurus produk OEM, dan ketua kualiti imej di importir serta penerbit pen bacaan yang perlu memahami bagaimana pemproses isyarat imej (ISP) dalam cip pada B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2 dan Y6 menukar data bayer CMOS mentah kepada imej OID yang bersih dan dinyahkod. Kami mengandaikan anda telah menilai sekurang-kurangnya satu reka bentuk rujukan dan ingin tahu apa yang perlu dirundingkan apabila anda menandatangani kontrak penalaan sensor tersuai.

Setiap pen bacaan dihantar dengan kamera. Lembaran data yang dihadapi pembeli menyebutnya sebagai "sensor OID" atau "kamera OCR," tetapi di dalam bekas itu terdapat saluran paip tiga peringkat yang sama seperti dalam telefon pintar: sensor CMOS, hujung hadapan analog, dan pemproses isyarat imej digital. Apa yang menjadikan reka bentuk ISP pen bacaan unik ialah sampul operasi. Pena ditekan ke atas kertas pada jarak kerja 0.5 mm hingga 1.2 mm, diterangi oleh LED IR jalur sempit 850 nm atau 940 nm, diseret pada 50 mm/s hingga 250 mm/s oleh kanak-kanak berusia lima tahun, dan dijangka menyampaikan imej binari yang stabil dalam masa 100 ms. Artikel ini meneliti keseluruhan ISP blok demi blok, dengan nombor penalaan yang diukur merentasi 11 model yang kami hantar.

1. Mengapa Kamera Pen Bacaan Bukan Kamera Web

Kamera pen bacaan ialah sensor CMOS skala kelabu atau hampir-IR bersaiz 1/13-inci hingga 1/9-inci dengan kawasan aktif kira-kira 1.2 mm kali 0.9 mm, dipadankan dengan kanta PMMA fokus tetap acuan. Pic piksel adalah antara 2.2 µm dan 3.0 µm, resolusi adalah antara 360 x 480 dan 640 x 480, dan hujung hadapan analog berjalan pada 30 fps hingga 60 fps bergantung pada model. Cerita sebenar terletak pada sampul operasi:

• Jarak kerja: 0.5 mm hingga 1.2 mm (berbanding 200 mm hingga infiniti untuk kamera telefon).
• Pencahayaan: LED IR 850 nm atau 940 nm, bukan cahaya nampak.
• Pantulan objek: titik bercetak 0.05 mm hingga 0.10 mm pada kertas bersalut pada pantulan IR 30% hingga 60%.
• Profil gerakan: perjalanan linear pen 50 mm/s hingga 250 mm/s dengan putaran hujung 5° hingga 15°.
• Belanjawan kependaman: 80 ms hingga 120 ms dari sentuhan hujung hingga audio pertama yang dinyahkod.

Kekangan ini sebab ISP ialah saluran paip tersuai. Pendedahan automatik mesti menumpu dalam masa 3 bingkai selepas pen-down, bukan 30. Imbangan putih automatik digantikan oleh gelung pampasan arus LED. Pengurangan bunyi dihalu di tala untuk tekstur kertas. Dan outputnya ialah matriks perduaan, bukan imej RGB 8-bit. Platform B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2 dan Y6 semuanya menjalankan ISP yang ditala, tetapi penalaan berbeza mengikut vendor sensor dan SoC hos.

2. Blok Sensor: Piksel CMOS, Hujung Hadapan Analog, dan ADC

Sensor imej ialah pautan pertama dalam rantaian. Pada B1, B2, F8 dan P2 kami menggunakan sensor skala kelabu resolusi VGA bersaiz 1/13-inci daripada vendor Cina tier-1, kadar bingkai 30 fps, pic piksel 2.8 µm. Pada K7, KF1, Q6 dan Y6 sensor ialah komponen 1/11-inci vendor yang sama, 60 fps, pic 2.5 µm. L5, Q8 dan T2 naik taraf kepada sensor 1/9-inci dengan pic 2.2 µm dan 60 fps, sebab itulah ketiga-tiga model ini terasa lebih tajam apabila mengimbas buku teks padat.

Setiap piksel ialah struktur fotodioda dipaku 4-transistor (4T) dengan tatasusunan mikro-lensa yang menambahbaikkan faktor isian daripada kira-kira 35% kepada sekitar 62%. Hujung hadapan analog termasuk penguat gandaan boleh program (PGA) dengan julat 0 dB hingga 18 dB dalam langkah 0.3 dB, ADC selari lajur 10-bit, dan litar pensampelan berkait ganda (CDS) yang mengurangkan bunyi set semula kTC sebanyak kira-kira 6 dB. Strim mentah 10-bit dihantar ke ISP melalui antara muka MIPI CSI-2 8-lorong pada 200 Mbps setiap lorong dalam L5, Q8 dan T2, dan antara muka selari 4-lorong pada 100 Mbps di tempat lain.

Tip pembeli: Sentiasa minta nilai SNR10 yang diukur. Sensor 60 fps dengan SNR10 di bawah 32 dB akan menghasilkan lebih banyak ralat pengecaman daripada sensor 30 fps pada 38 dB. L5, Q8 dan T2 kami mencapai SNR10 38 dB hingga 40 dB pada gandaan penuh.

3. Hujung Hadapan ISP: Paras Hitam, Teduhan Kanta, dan Pembetulan Piksel Rosak

Data sensor mentah tiba di hujung hadapan ISP dengan tiga artifak berstruktur: ofset paras hitam, teduhan kanta, dan piksel rosak terpencil. Setiap satu mesti dibuang sebelum sebarang penapisan ruang boleh dijalankan.

Pembetulan paras hitam menolak nilai pedestal setiap saluran yang disimpan dalam memori OTP pada modul sensor. Untuk komponen 850 nm kami pedestal biasanya 64 hingga 96 LSB daripada 1024, untuk komponen 940 nm 80 hingga 120 LSB. ISP membaca pedestal semasa but dan memakainya bingkai demi bingkai. Tanpa langkah ini ambang binari hiliran akan teranjak sebanyak 6% hingga 9%, cukup untuk membalik titik 0.07 mm daripada "hitam" kepada "putih" dan merosakkan grid OID.

Pembetulan teduhan kanta memohon mesh gandaan 5 x 5 hingga 9 x 9 merentasi imej, dengan pekali mesh juga disimpan dalam OTP. Piksel tengah menerima gandaan 1.00, piksel sudut menerima gandaan 1.18 hingga 1.32. Kami menala mesh di stesen optik kami menggunakan sasaran pantulan 90% seragam pada jarak kerja nominal 0.8 mm. Keseragaman kecerahan sudut selepas pembetulan teduhan adalah 96% hingga 98% merentasi semua 11 model.

Pembetulan piksel rosak mengenal pasti piksel yang menyimpang lebih daripada 30 LSB daripada 8 jirannya, menandakannya dalam peta masa jalanan, dan menginterpolasinya menggunakan penapis median. Kadar kecacatan daripada vendor sensor adalah di bawah 0.02%, jadi sensor 640 x 480 dihantar dengan 50 hingga 70 piksel rosak. ISP menyegarkan peta piksel rosak setiap 50 bingkai untuk menangkap kecacatan lembut yang berkembang dengan kitaran haba.

4. Gelung Kawalan Pendedahan Automatik dan Arus LED

Pen bacaan tiada iris mekanikal. Cahaya yang sampai ke sensor dikawal oleh arus LED IR, lebar denyut LED, dan masa pendedahan elektronik sensor. ISP menjalankan pengawal AEC (pendedahan automatik) gelung tertutup yang menyasarkan min imej 130 LSB daripada 255 selepas gamma, dengan tetingkap penerimaan 110 hingga 150 LSB.

Gelung berjalan pada 60 Hz dalam L5, Q8 dan T2 dan 30 Hz dalam 8 model lain. Semasa pen-down pengawal memasuki mod "tumpuan pantas": ia menetapkan arus LED kepada nilai mula yang telah dikira (8 mA hingga 14 mA) dan menggunakan gandaan berkadar tinggi untuk 3 bingkai pertama. Tumpuan dalam ±10 LSB sasaran dicapai dalam 35 ms hingga 50 ms.

Arus LED berdenyut, bukan berterusan. Kitar tugas kerja ialah 8% hingga 15% dengan arus puncak 40 mA hingga 80 mA, memberikan tarikan arus purata 4 mA hingga 10 mA. Pendenyutan memastikan suhu simpang LED di bawah 45 °C dan memanjangkan hayat LED kepada 50,000 jam yang dikira pada ambien 25 °C. ISP menyegerakkan denyut LED dengan sinkronisasi menegak sensor.

5. Gandaan Automatik, Nyahbunyi, dan Pertajaman

Selepas AEC terkunci, blok AGC (kawalan gandaan automatik) memohon gandaan analog butiran halus 0 dB hingga 12 dB untuk menolak isyarat ke bahagian atas julat ADC. AGC ialah AEC peringkat kedua dengan resolusi lebih halus. Julat dinamik gabungan ialah 72 dB hingga 78 dB merentasi 11 model.

Nyahbunyi ialah penapis bilateral 3 x 3 hingga 5 x 5 yang memelihara tepi. Kekuatan ditala kepada 0.35 untuk B1, B2, P2 dan F8 dan 0.55 untuk K7, KF1, Q6, Y6, L5, Q8 dan T2. Penapisan bilateral mengurangkan bunyi temporal sebanyak 4 dB hingga 6 dB dan bunyi spatial sebanyak 3 dB hingga 5 dB, dengan pemeliharaan tepi melebihi korelasi 0.85.

Penajaman menggunakan unsharp mask 3 x 3 dengan gain 0.4 hingga 0.7 dan ambang 8 LSB hingga 14 LSB. Matlamatnya adalah untuk memulihkan ketajaman tepi yang hilang semasa penyingkiran hingar, kerana penbineran di hiliran bergantung pada sempadan titik yang bersih. Penajaman berlebihan menyebabkan deringan di sekitar titik, menghasilkan positif palsu dalam pengesanan grid. Penalaan menetapkan jarak kenaikan tepi titik pada 1.2 piksel hingga 1.8 piksel.

6. Gamma, Pemetaan Tona, dan Laluan ke Penbineran

Kebanyakan ISP pena bacaan menjalankan lengkung gamma piecewise 1.6 hingga 1.8 untuk mengangkat ton pertengahan. Selepas gamma, imej ditukar daripada 10-bit linear ke 8-bit domain log. ISP bercabang: laluan OCR / OID menjalankan penbineran ambang global atau tempatan, manakala laluan pratonton paparan (hanya pada L5, Q8 dan T2 dengan pilihan LCD) menjalankan penyamaan histogram untuk tontonan manusia.

Untuk laluan OID, ambang penbineran dikira dalam dua cara. Dalam mod "statik", ambang ditetapkan tetap pada 128 LSB, digunakan apabila arus LED stabil. Dalam mod "adaptif", lalai pada K7, KF1, Q6, Y6, L5, Q8 dan T2, ambang dikira daripada min tempatan 32 x 32 dengan ofset 16 LSB. Penbineran adaptif mengurangkan ralat pengesanan titik sebanyak 35% hingga 50% pada kertas dengan latar belakang bercetak.

Output ISP ialah imej 1-bit atau 8-bit grayscale yang bersih, disegerakkan bingkai dengan interrupts pen ke bawah. Ijem dihantar ke penyahkod OID atau enjin OCR melalui penimbal cincin SRAM kongsi. Latensi ISP hujung ke hujung, daripada integrasi sensor siap hingga imej yang dibiner bersedia, adalah antara 22 ms dan 38 ms.

7. Imbangan Putih Adalah Kes Khas: Pampasan LED

Automatik imbangan putih tidak wujud dalam pena bacaan kerana sensor adalah monokrom dan pencahayaan adalah satu panjang gelombang IR sahaja. Yang wujud ialah gelung pampasan LED yang mengimbangi untuk:

1. Penurunan kecerahan LED apabila suhu simpang meningkat semasa pengimbasan.
2. Variasi pemantulan kertas antara putih dan berwarna (krim, biru muda) halaman buku.
3. Sag voltan bateri daripada 4.2 V hingga 3.5 V, mengurangkan arus LED sebanyak 12% hingga 18%.

Pampasan ialah gelung perisian yang berjalan pada 10 Hz, membaca min imej daripada enjin statistik ISP dan melaraskan setpoint arus LED sebanyak ±2 mA. Pada L5, Q8 dan T2, gelung juga mengimbangi suhu persekitaran menggunakan sensor atas-die, menahan suhu simpang LED pada 38 °C ± 3 °C merentasi 0 °C hingga 40 °C.

8. Penggunaan Kuasa Blok ISP

Blok ISP ialah pengguna kuasa keadaan mantap terbesar dalam pena, selepas amplifier audio. Penguraian kuasa yang diukur untuk L5 pada pengimbasan berterusan 60 fps:

Pada purata kuasa imbas 238 mW, bateri 1200 mAh L5 pada 3.7 V (4.44 Wh) menyokong kira-kira 18 jam pengimbasan aktif, walaupun masa "main" berkadar 8.5 jam mengambil kira main balik audio dan cahaya latar. Model lain berskala berkadar: T2 dengan 2500 mAh mencapai 14 jam imbasan berterusan, P2 dengan 500 mAh mencapai 4.0 jam, dan B1 dengan 700 mAh mencapai 5.0 jam.

Petua pembeli:Apabila menilai tuntutan "hayat bateri", mintalah profil ujian tersebut. Sebatang pen yang dinilai "8 jam" pada tugas imbasan 20% memberikan 4 jam pada tugas imbasan 50%. Angka yang kami siarkan menggunakan profil 40% imbasan, 30% audio, 30% siap sedia, yang lebih mendekati keadaan sebenar di bilik darjah.

9. Penalaan, Kalibrasi, dan Pintu Kualiti

Setiap modul sensor ditala di stesen optik kami sebelum laminasi. Lekapan mempersembahkan 7 sasaran rujukan: kad putih, kad kelabu (pantulan 18%), kad hitam, grid titik pada pic 0.07 mm, grid titik pada pic 0.05 mm, sampel teks, dan sampel kertas tertekan dengan kesan tumpahan kopi simulasi. Set parameter ISP dijana bagi setiap modul dan disimpan dalam OTP. Hasil ialah 96.4% merentasi 11 model; kadar tolak 3.6% didominasi oleh penyahpusatan kanta dan kelompok piksel rosak.

AQL pada baris penalaan ISP berada pada tahap II: Kritikal 0, Utama 1.0, Kecil 2.5. Kecacatan "Utama" di sini termasuk penumpuan AEC yang lebih perlahan daripada 70 ms, keseragaman sudut di bawah 92%, atau SNR10 di bawah 32 dB. Apa-apa dalam ketiga-tiga kategori itu dihantar untuk kerja semula atau scrap. Kami menerbitkan laporan penalaan ISP setiap model dengan setiap kumpulan pengeluaran.

10. Cara Menentukan Keperluan ISP dalam OEM RFQ

Untuk pembeli yang menulis spesifikasi OEM atau ODM, bahagian keperluan ISP harus merujuk kepada parameter yang boleh diukur, bukan tuntutan pemasaran:

• SNR10 pada gandaan penuh ≥ 36 dB untuk K7 / KF1 / Q6 / Y6 / L5 / Q8 / T2; ≥ 32 dB untuk B1 / B2 / F8 / P2.
• Penumpuan AEC kepada ±10 LSB sasaran dalam masa 50 ms (sensor 60 fps) atau 70 ms (sensor 30 fps).
• Keseragaman kecerahan sudut ≥ 95%.
• Latensi ISP hujung-ke-hujung ≤ 30 ms untuk sensor 60 fps, ≤ 40 ms untuk sensor 30 fps.
• Sokongan pembinarisasi adaptif dalam firmware.
• Gelung pampasan LED dengan dokumentasi pekali suhu.

Jika pembekal tidak dapat berkomitmen kepada nombor dalam format di atas, penalaan sensor belum lagi bersedia untuk pengeluaran. Untuk enjin OCR yang menggunakan output ISP, lihat Enjin OCR Pena Baca lwn OCR Pembelajaran Dalam. Untuk kualiti imej sebelah paparan pada L5, Q8 dan T2, lihat Keseragaman Luminans Paparan Pena Baca. Untuk penyahkod OID, lihat How OID Reading Pen Technology Works. Untuk meminta unit sampel dengan laporan penalaan ISP, lihat /request-a-quote.

Bacaan Berkaitan

• How OID Reading Pen Technology Works
• Enjin OCR Pena Baca lwn OCR Pembelajaran Dalam
• Keseragaman Luminans Paparan Pena Baca
• Pengesanan dan Segmentasi Teks Pena Baca
• Pengawal Skrin Sentuh dan Gerakan Pena Baca
• Kawalan Kualiti dan Piawaian AQL Pena Baca