Русский
Проектирование для низкого потребления энергии: ультраэффективные модули камер для носимых устройств
Создано 08.07
Глобальный рынок носимых устройств находится на экспоненциальной траектории роста. Ожидается, что он вырастет с 70,30 миллиарда долларов США в 2024 году до ошеломляющих 152,82 миллиарда долларов США к 2029 году, зафиксировав среднегодовой темп роста (CAGR) в 16,8% в течение этого прогнозного периода. Умные часы, фитнес-трекеры и AR-очки больше не являются новинками, а стали повседневными необходимостями для миллионов. По мере расширения функциональности интегрированные камеры стали обязательной функцией в этих устройствах. Их используют для различных приложений, от простой фотографии и видеозвонков до сложного биометрического сенсинга, такого как сканирование радужной оболочки для повышения безопасности. Однако существует серьезное препятствие: ограниченная емкость батареи в носимых устройствах. Традиционныемодули камерыизвестны своим высоким потреблением энергии, потребляя чрезмерное количество энергии, которое несовместимо с небольшими, компактными батареями, питающими современные стильные носимые устройства.
В этом углубленном руководстве мы исследуем передовой мир проектирования ультраэффективных, маломощных камерных модулей, адаптированных для носимых устройств. Мы рассмотрим последние технологические инновации, ключевые факторы дизайна и реальные приложения, которые революционизируют пространство носимых технологий.
Почему модули камер с низким потреблением энергии важны для носимых устройств
Устройства носимой электроники работают в уникальных условиях, которые делают эффективность использования энергии абсолютной необходимостью. Вот почему проектирование камер с низким потреблением энергии так важно:
• Время работы от батареи: Пользователи носимых устройств ожидают работы в течение всего дня или даже нескольких дней на одной зарядке. Энергозатратная камера может значительно сократить время работы от батареи, иногда на целых 30 - 50%. Это не только приводит к разочарованию пользователей, оставляющих негативные отзывы, но и приводит к снижению принятия продукта. Например, в недавнем исследовании 70% пользователей смарт-часов заявили, что они прекратят использовать устройство, если батарея не сможет работать как минимум целый день.
• Форма: Современные потребители требуют тонкие, легкие носимые устройства, которые удобно носить в течение длительного времени. Объемные модули камер с высокими требованиями к мощности не только ухудшают эстетику устройства, но и его комфорт. На самом деле, 85% опрошенных потребителей заявили, что предпочитают носимые устройства толщиной менее 10 мм.
• Управление теплом: Устройства, носимые близко к коже, такие как смарт-часы или фитнес-трекеры, должны избегать перегрева. Камеры, которые потребляют чрезмерный ток, генерируют тепло, что может вызвать дискомфорт и даже потенциальные проблемы с безопасностью. Перегрев был отмечен как одна из трех основных причин возврата продукции в носимых устройствах с камерами.
Для производителей носимых устройств оптимизация потребления энергии камер является решающим фактором для успеха продукта на все более конкурентном рынке.
Ключевые технологии для модулей носимых камер с низким энергопотреблением
Разработка энергоэффективных камерных модулей для носимых устройств требует инноваций как в аппаратных, так и в программных компонентах. Вот самые эффективные стратегии, которые применяются:
1. Продвинутые низкопотребляющие изображения сенсоры
Датчик изображения лежит в основе любого модуля камеры, и выбор правильного является первым важным шагом к достижению эффективности. Ведущие производители теперь производят датчики, специально разработанные для носимых устройств, с следующими характеристиками:
• Технология задней подсветки (BSI): Датчики BSI произвели революцию в игре, улучшив светочувствительность наRemarkable 40% по сравнению с традиционными датчиками с передней подсветкой. Это улучшение позволяет сократить время экспозиции и снизить рабочие напряжения. Например, последние датчики BSI в камерах смарт-часов могут захватывать изображения высокого качества в условиях низкой освещенности с временем экспозиции, которое на 30% короче, чем у их предшественников.
• Пиксельное объединение: Эта техника объединяет данные от соседних пикселей, чтобы захватывать более яркие изображения в условиях низкой освещенности. Делая это, она снижает необходимость в энергоемких алгоритмах повышения яркости изображения. Некоторые датчики с низким энергопотреблением, использующие пиксельное объединение, могут достичь до 2x улучшения в производительности при низком освещении без увеличения потребления энергии.
• Адаптивные режимы питания: Эти датчики достаточно умны, чтобы переключаться между активным, ожиданием и спящим режимами в зависимости от использования. Например, камера смарт-часов может оставаться в спящем режиме, потребляя лишь незначительное количество энергии (менее 10μA), пока не будет активирована голосовой командой или конкретным жестом. После активации она быстро переключается в активный режим, потребляя около 5mA во время захвата изображения.
Эти современные датчики обычно потребляют менее 5 мА во время активной съемки, что на 70% меньше, чем потребление энергии датчиков камер смартфонов.
2. Интеллектуальные системы управления энергией
Даже самый эффективный сенсор нуждается в умной системе управления питанием, чтобы по-настоящему максимизировать время работы от батареи. Носимые камеры используют следующие методы:
• Динамическое изменение напряжения и частоты (DVFS): Эта технология регулирует рабочее напряжение и скорость обработки модуля камеры в зависимости от сложности выполняемой задачи. Например, в режиме простого предварительного просмотра модуль может работать на более низком напряжении и частоте, потребляя до 50% меньше энергии по сравнению с режимом захвата видео в высоком разрешении.
• Режим серийной съемки: Вместо того чтобы работать непрерывно, камера активируется только на короткие промежутки времени, обычно 1 - 2 секунды, при захвате изображений или видео. Это значительно минимизирует время "включения", которое является основным фактором разряда батареи. В некоторых носимых устройствах для отслеживания физической активности режим серийной съемки увеличил время использования камеры с 2 часов до более чем 6 часов на одной зарядке.
• Энергетическое управление: Этот метод отключает неиспользуемые компоненты, такие как моторы автофокуса или контроллеры вспышки, когда они не используются. Устраняя потери энергии в режиме ожидания, энергетическое управление может снизить общее потребление энергии на 10 - 20%.
3. Облачные вычисления для обработки изображений
Традиционные камеры сильно зависят от основного процессора устройства для обработки изображений, что поддерживает всю систему в активном состоянии и потребляет энергию. Низкопотребляющие носимые камеры преодолевают эту проблему с помощью:
• Интегрированные процессоры обработки изображений (ISP): Малые, специализированные ISP внутри модуля камеры обрабатывают задачи, такие как снижение шума, автоматическая экспозиция и коррекция цвета локально. Это снижает нагрузку на основной ЦП до 60%, что приводит к значительной экономии энергии. В промышленных AR-очках интегрированные ISP позволили камере работать в течение 8-часовых смен на одной зарядке.
• Оптимизация на основе ИИ: Алгоритмы машинного обучения используются для предсказания условий сцены, таких как освещение внутри и снаружи, и настройки параметров камеры до захвата изображения. Это сокращает время постобработки и потребление энергии. Некоторые камеры с оптимизацией ИИ могут сократить время обработки на 30%, что приводит к снижению потребления энергии.
4. Миниатюрная оптика и механика
Размер и вес компонентов камеры напрямую влияют на потребление энергии. Вот некоторые оптические инновации:
• Исправлено - Фиксированные линзы: Идеально подходят для большинства носимых случаев использования, таких как биометрия на близком расстоянии или сканирование QR-кодов, фиксированные линзы устраняют необходимость в энергозатратных моторизованных системах фокусировки. Это может снизить потребление энергии, связанное с фокусировкой, до 80%.
• Высокоиндексные пластиковые линзы: Эти линзы примерно на 30% легче традиционных стеклянных линз. Их уменьшенный вес означает, что для стабилизации в движущихся носимых устройствах, таких как фитнес-трекеры, требуется меньше энергии. Например, фитнес-трекер с высокоиндексными пластиковыми линзами может работать на 30 минут дольше на одном заряде по сравнению с устройством со стеклянными линзами.
• Оптика на уровне кристаллов: Микроскопические массивы линз изготавливаются с использованием полупроводниковых технологий, что позволяет создавать ультракомпактные конструкции с минимальными требованиями к энергии. Оптика на уровне кристаллов может уменьшить общий размер модуля камеры на 40%, сохраняя при этом высокую оптическую производительность.
Топ-приложения модулей камер с низким энергопотреблением в носимых устройствах
Эффективные технологии камер открывают новые и захватывающие возможности для носимых устройств в различных отраслях:
• Здравоохранение: Умные часы, оснащенные камерами с низким потреблением энергии, теперь используются для мониторинга состояния кожи, обнаружения желтухи у новорожденных или анализа сетчатки для раннего выявления заболеваний. Эти приложения могут работать в течение нескольких дней без необходимости в ежедневной подзарядке. В недавнем клиническом испытании камеры умных часов смогли точно обнаружить рак кожи на ранней стадии в 85% случаев.
• Фитнес и спорт: Носимые камеры в беговых часах или велосипедных очках могут записывать видео тренировок в режиме серийной съемки, увеличивая время работы от батареи до более чем 12 часов непрерывного использования. Атлеты теперь могут записывать свои полные тренировочные сессии, не беспокоясь о разрядке батареи. Например, велосипедист может использовать носимую камеру, чтобы записать 100-мильную велопрогулку, не опасаясь, что батарея разрядится в середине пути.
• Промышленный AR: AR-очки для работников складов используют низкопотребляющие камеры для сканирования штрих-кодов и документирования запасов, работая в течение полных 8-часовых смен на одной зарядке. Это увеличило производительность на складах на 20%, так как работникам больше не нужно останавливаться и подзаряжать свои устройства в течение рабочего дня.
• Уход за пожилыми людьми: Носимые подвески с камерами позволяют проводить видеозвонки с опекунами, используя минимальное количество энергии для обеспечения более 7 дней работы в режиме ожидания. Это дает спокойствие как пожилым людям, так и их семьям, зная, что в случае чрезвычайной ситуации к ним можно легко обратиться.
Будущие тенденции в низкопотребляющих носимых камерах
Следующее поколение модулей носимых камер готово еще больше расширить границы эффективности с помощью этих новых технологий:
• Перовскитовые датчики: Эти датчики следующего поколения предлагают в 2 раза большую светочувствительность, чем кремний, при половине мощности. Эксперты отрасли прогнозируют, что перовскитовые датчики могут начать появляться в коммерческих продуктах уже в 2026 году. Их использование может потенциально удвоить время работы аккумулятора носимых камер.
• Сбор энергии: Будущие камеры могут быть способны преобразовывать окружающий свет или тепло тела в электричество, значительно продлевая срок службы батареи для критически важных функций. Некоторые прототипы уже показывают многообещающие результаты, с возможностью собирать достаточно энергии от тепла тела, чтобы питать камеру в течение коротких периодов.
• Ноль - Энергия пробуждения - Камеры активируются только определенными визуальными триггерами, такими как жесты рук, с использованием ультранизкопотребляющих алгоритмов распознавания изображений. Это может снизить потребление энергии в режиме ожидания почти до нуля, что дополнительно повысит общую эффективность носимых камер.
Заключение: Инвестирование в технологии камер с низким потреблением энергии
Для производителей носимых устройств приоритизация дизайна камер с низким потреблением энергии больше не является опцией; это абсолютная необходимость для удовлетворения ожиданий потребителей. Используя современные датчики, интеллектуальное управление энергопотреблением, периферийные вычисления и миниатюрную оптику, компании могут создавать устройства, которые предлагают как высокую функциональность, так и длительное время работы от батареи.
По мере того как рынок носимых устройств продолжает расширяться, с прогнозируемым ростом на 18,1% CAGR в период с 2024 по 2029 год согласно Technavio, спрос на ультраэффективные модули камер только усилится. Ранние последователи этих технологий получат значительное конкурентное преимущество, предлагая продукты, которые выделяются на переполненном рынке.
Контакт
Оставьте свои контактные данные, и мы свяжемся с вами.
WhatsApp
WeChat