जब इंजीनियर कैमरा मॉड्यूल का मूल्यांकन करते हैं, तो बिजली की खपत को अक्सर डेटाशीट में सूचीबद्ध एक सरल विनिर्देश के रूप में माना जाता है। वास्तव में, कैमरा मॉड्यूल बिजली की खपत छवि सेंसर, आईएसपी, मेमोरी बफर, उच्च गति इंटरफेस, घड़ियां, वोल्टेज नियामक और होस्ट प्रोसेसर सहित कई उपप्रणालियों के एक साथ काम करने का परिणाम है।
बिजली की खपत के अंतर्निहित स्रोतों को समझना एम्बेडेड विज़न सिस्टम, औद्योगिक कैमरे, एआई एज डिवाइस, बैटरी संचालित उत्पादों और मशीन विज़न अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। पावर व्यवहार की खराब समझ के कारण ओवरहीटिंग, अस्थिर छवि गुणवत्ता, छोटी बैटरी जीवन और अप्रत्याशित सिस्टम विफलताएं हो सकती हैं।
इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि कई इंजीनियर गलती से यह मान लेते हैं कि बिजली की खपत सीधे सेंसर रिज़ॉल्यूशन के साथ होती है। व्यवहार में, प्रमुख कारक अक्सर कुल छवि थ्रूपुट होता है, छवि डेटा की मात्रा जिसे हर सेकंड कैप्चर, संसाधित, प्रसारित और विश्लेषण किया जाना चाहिए।
बिजली की खपत पिक्सेल थ्रूपुट से शुरू होती है
सेंसर स्तर पर, बिजली की खपत अकेले रिज़ॉल्यूशन के बजाय पिक्सेल थ्रूपुट से निकटता से संबंधित है।
उदाहरण के लिए:
- 2MP @ 30FPS=लगभग 60 मिलियन पिक्सेल प्रति सेकंड
- 5MP @ 30FPS=लगभग 150 मिलियन पिक्सेल प्रति सेकंड
- 8MP @ 60FPS=लगभग 480 मिलियन पिक्सेल प्रति सेकंड
प्रत्येक पिक्सेल को उजागर किया जाना चाहिए, एनालॉग से डिजिटल रूप में परिवर्तित किया जाना चाहिए, सेंसर रीडआउट सर्किट के माध्यम से स्थानांतरित किया जाना चाहिए, आईएसपी द्वारा संसाधित किया जाना चाहिए, इंटरफ़ेस के माध्यम से प्रेषित किया जाना चाहिए, और अंततः होस्ट प्रोसेसर द्वारा नियंत्रित किया जाना चाहिए।
जैसे-जैसे पिक्सेल थ्रूपुट बढ़ता है, इमेजिंग पाइपलाइन में लगभग हर ब्लॉक अधिक बिजली की खपत करता है। यही कारण है कि उच्च फ्रेम दर पर काम करने वाला 8MP कैमरा 2MP कैमरे की तुलना में कई गुना अधिक बिजली की खपत कर सकता है, भले ही दोनों समान सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकियों का उपयोग करते हों।
छवि सेंसर सिर्फ पिक्सेल से कहीं अधिक है
छवि सेंसर को अक्सर प्राथमिक बिजली उपभोक्ता के रूप में देखा जाता है, लेकिन यह समझने के लिए कि सेंसर की शक्ति कहाँ खर्च की जाती है, इसकी आंतरिक वास्तुकला में गहराई से देखने की आवश्यकता है।
आधुनिक CMOS छवि सेंसर में शामिल हैं:
- पिक्सेल सरणियाँ
- पंक्ति और स्तंभ ड्राइवर
- एनालॉग एम्पलीफायर्स
- सहसंबंधित डबल सैंपलिंग सर्किट
- एनालॉग-से-डिजिटल कन्वर्टर्स (एडीसी)
- समय जनरेटर
- उच्च-स्पीड आउटपुट सीरिएलाइज़र
इन ब्लॉकों में, एडीसी और उच्च गति आउटपुट सर्किट अक्सर सेंसर बिजली की खपत का एक महत्वपूर्ण हिस्सा होते हैं। जैसे-जैसे फ्रेम दर बढ़ती है, इन सर्किटों को उच्च आवृत्तियों पर काम करना पड़ता है, जिससे गतिशील बिजली की खपत में काफी वृद्धि होती है।
कम रोशनी में इमेजिंग से सेंसर की पावर आवश्यकताएं भी बढ़ सकती हैं। लंबे एक्सपोज़र समय, उच्च एनालॉग लाभ और उन्नत एचडीआर मोड के लिए अक्सर अतिरिक्त सेंसर संचालन की आवश्यकता होती है जो मानक इमेजिंग मोड की तुलना में अधिक ऊर्जा की खपत करते हैं।
क्यों आईएसपी प्रोसेसिंग सबसे बड़ा बिजली उपभोक्ता बन सकता है?
कई आधुनिक कैमरा प्रणालियों में, इमेज सिग्नल प्रोसेसर (आईएसपी) सेंसर जितनी ही बिजली की खपत करता है -या उससे भी अधिक।
कच्चा सेंसर डेटा सीधे उपयोग योग्य नहीं है। इससे पहले कि कोई छवि एप्लिकेशन परत तक पहुंचे, यह आम तौर पर दर्जनों प्रसंस्करण चरणों से गुजरती है:
- डेमोसाइसिंग
- ऑटो एक्सपोज़र (एई)
- ऑटो व्हाइट बैलेंस (AWB)
- लेंस शेडिंग सुधार (एलएससी)
- दोष पिक्सेल सुधार (DPC)
- शोर में कमी
- तेज़ करने
- रंग सुधार
- एचडीआर/डब्ल्यूडीआर प्रोसेसिंग
- गामा समायोजन
- टोन मैपिंग
इनमें से कई एल्गोरिदम प्रत्येक फ्रेम के प्रत्येक पिक्सेल पर काम करते हैं। जैसे-जैसे रिज़ॉल्यूशन और फ्रेम दर बढ़ती है, कम्प्यूटेशनल जटिलता तेजी से बढ़ती है।
एचडीआर और डब्लूडीआर मोड विशेष रूप से मांग वाले हैं क्योंकि एकाधिक एक्सपोज़र को कैप्चर किया जाना चाहिए और एक ही छवि में विलय किया जाना चाहिए। कुछ अनुप्रयोगों में, एचडीआर को सक्षम करने से आईएसपी कार्यभार 50% से अधिक बढ़ सकता है, जिसके परिणामस्वरूप समग्र सिस्टम बिजली खपत में उल्लेखनीय वृद्धि हो सकती है।
फ़्रेम दर अक्सर रिज़ॉल्यूशन से अधिक महत्वपूर्ण होती है
कई इंजीनियर फ़्रेम दर को नज़रअंदाज़ करते हुए मेगापिक्सेल पर बहुत अधिक ध्यान केंद्रित करते हैं।
शक्ति के दृष्टिकोण से, फ़्रेम दर का रिज़ॉल्यूशन से भी अधिक प्रभाव हो सकता है क्योंकि यह सीधे निर्धारित करता है कि संपूर्ण इमेजिंग पाइपलाइन को कितनी बार संचालित करना चाहिए।
2MP कैमरे पर विचार करें:
- 2MP @ 30FPS
- 2MP @ 60FPS
- 2MP @ 120FPS
फ़्रेम दर को दोगुना करने से सेंसर रीडआउट गतिविधि, आईएसपी प्रसंस्करण कार्यभार, मेमोरी एक्सेस आवृत्ति और इंटरफ़ेस ट्रांसमिशन आवश्यकताओं को प्रभावी ढंग से दोगुना कर दिया जाता है।
यह बताता है कि उच्च गति वाले औद्योगिक कैमरों को अक्सर सक्रिय शीतलन की आवश्यकता क्यों होती है, भले ही उनके रिज़ॉल्यूशन अपेक्षाकृत मामूली हों।
मेमोरी और डेटा मूवमेंट की छिपी हुई लागत
बिजली की खपत का एक अक्सर अनदेखा किया जाने वाला स्रोत मेमोरी एक्सेस है।
कई छवि प्रसंस्करण कार्यों के लिए DDR मेमोरी में संग्रहीत अस्थायी फ़्रेम बफ़र्स की आवश्यकता होती है। प्रत्येक पढ़ने और लिखने के कार्य में ऊर्जा की खपत होती है।
एआई विज़न सिस्टम के लिए, छवि डेटा को कई बार स्थानांतरित किया जा सकता है:
- आईएसपी के लिए सेंसर
- आईएसपी से डीडीआर मेमोरी
- डीडीआर से एआई त्वरक
- सीपीयू के लिए एआई त्वरक
- प्रदर्शन या भंडारण के लिए सी.पी.यू
कई उन्नत एआई उपकरणों में, मेमोरी के माध्यम से छवि डेटा को स्थानांतरित करने से वास्तविक छवि प्रसंस्करण एल्गोरिदम की तुलना में अधिक बिजली की खपत होती है।
इंटरफ़ेस बिजली की खपत नगण्य नहीं है
यूएसबी 3.0, एमआईपीआई सीएसआई -2 और गीगाबिट ईथरनेट जैसे उच्च स्पीड इंटरफेस के लिए बहुत उच्च आवृत्तियों पर संचालित होने वाले समर्पित भौतिक-परत सर्किट की आवश्यकता होती है।
जैसे-जैसे छवि थ्रूपुट बढ़ता है, इंटरफ़ेस बैंडविड्थ आवश्यकताएं तदनुसार बढ़ती हैं।
उदाहरण के लिए, असम्पीडित 4K वीडियो को प्रसारित करने के लिए संपीड़ित 1080P वीडियो को प्रसारित करने की तुलना में काफी अधिक इंटरफ़ेस पावर की आवश्यकता होती है। कुछ प्रणालियों में, इंटरफ़ेस पावर कुल कैमरा मॉड्यूल खपत का एक सार्थक प्रतिशत बन सकता है।
बिजली की खपत सीधे छवि गुणवत्ता को प्रभावित करती है
बिजली की खपत केवल विद्युत चिंता का विषय नहीं है। यह सीधे तौर पर थर्मल व्यवहार को प्रभावित करता है।
जैसे ही सेंसर का तापमान बढ़ता है:
- डार्क करंट बढ़ता है
- छवि शोर अधिक दृश्यमान हो जाता है
- सिग्नल से {{1} तक शोर अनुपात कम हो जाता है
- कम रोशनी में प्रदर्शन ख़राब हो जाता है
- दीर्घकालिक विश्वसनीयता कम हो सकती है
यही कारण है कि थर्मल डिज़ाइन अक्सर कैमरा मॉड्यूल चयन से अविभाज्य होता है। केवल एक अतिरिक्त वाट की खपत करने वाला कैमरा एक कॉम्पैक्ट बाड़े के अंदर ऑपरेटिंग तापमान को काफी बढ़ा सकता है।
कैमरा मॉड्यूल चयन युक्तियाँ
उपलब्ध उच्चतम{0}}रिज़ॉल्यूशन सेंसर का चयन करने के बजाय, इंजीनियरों को एप्लिकेशन आवश्यकताओं और सिस्टम बाधाओं से शुरुआत करनी चाहिए।
- लक्ष्य दूरी पर आवश्यक वास्तविक पिक्सेल घनत्व निर्धारित करें
- न्यूनतम स्वीकार्य फ़्रेम दर परिभाषित करें
- एचडीआर/डब्ल्यूडीआर आवश्यकताओं का सावधानीपूर्वक मूल्यांकन करें
- बैटरी परिचालन समय लक्ष्य पर विचार करें
- बाड़े की थर्मल सीमाओं का आकलन करें
- प्रोसेसर और मेमोरी बैंडविड्थ क्षमताओं को सत्यापित करें
- सेंसर चुनने से पहले कुल छवि थ्रूपुट का अनुमान लगाएं
कई एम्बेडेड विज़न अनुप्रयोगों में, एक उचित रूप से अनुकूलित 2MP या 5MP कैमरा मॉड्यूल उच्च रिज़ॉल्यूशन विकल्प की तुलना में काफी कम बिजली की खपत करते हुए आवश्यक इमेजिंग प्रदर्शन प्राप्त कर सकता है।
