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為低功耗設計：超高效能的可穿戴相機模組
創建於 08.07
全球可穿戴設備市場正處於指數增長的軌道上。預計將從2024年的703億美元激增至2029年的1528.2億美元，在此預測期間錄得16.8%的年均增長率（CAGR）。智能手錶、健身追踪器和增強現實眼鏡不再是新奇產品，而是數百萬人的日常必需品。隨著功能的擴展，集成相機已成為這些設備的必備功能。它們被用於多種應用，從簡單的攝影和視頻通話到複雜的生物識別感應，例如虹膜掃描以增強安全性。然而，一個主要的障礙仍然存在：可穿戴設備的電池容量有限。傳統相機模組是臭名昭著的耗電者，消耗過多的能量，這與當今時尚可穿戴設備所使用的小型緊湊電池不兼容。
在這份深入的指南中，我們將探索設計超高效、低功耗相機模組的前沿世界，這些模組專為可穿戴設備量身定制。我們將研究最新的技術創新、關鍵設計因素以及正在革新可穿戴科技領域的實際應用。
為什麼低功耗相機模組對可穿戴設備至關重要
可穿戴設備在一套獨特的限制條件下運作，使得能效成為絕對必要。以下是設計低功耗相機如此重要的原因：
• 電池壽命：可穿戴設備的用戶已經期望在單次充電下能夠全天或甚至多天運行。一個耗電量大的相機可能會顯著減少電池壽命，有時甚至達到30-50%。這不僅導致用戶感到沮喪並留下負面評價，還會導致產品採用率下降。例如，在最近的一項研究中，70%的智能手錶用戶表示，如果電池無法至少持續一整天，他們將停止使用該設備。
• 形狀因素：現代消費者要求纖薄、輕便的可穿戴設備，能夠在長時間內舒適佩戴。體積龐大的相機模組不僅影響設備的美觀，還影響其舒適性。事實上，85%的受訪消費者表示他們更喜歡厚度小於10毫米的可穿戴設備。
• 熱管理：佩戴在皮膚附近的設備，如智能手錶或健身追蹤器，必須避免過熱。消耗過多電流的相機會產生熱量，這可能會造成不適，甚至潛在的安全問題。過熱已被報告為可穿戴設備中相機產品退貨的三大原因之一。
對於可穿戴設備製造商來說，優化相機的功耗是產品在日益競爭激烈的市場中成功的關鍵因素。
低功耗可穿戴相機模組的關鍵技術
開發能效高的可穿戴設備相機模組需要在硬體和軟體組件上進行創新。以下是正在採用的最有效策略：
1. 先進低功耗影像感測器
影像感測器位於任何相機模組的核心，選擇合適的感測器是實現效率的第一個關鍵步驟。領先的製造商現在正在生產專門為可穿戴設備設計的感測器，具有以下特點：
• 背面照明 (BSI) 技術：BSI 感測器通過將光敏感度提高了驚人的 40%，徹底改變了遊戲，與傳統的前照明感測器相比。這一改進使得曝光時間更短，操作電壓更低。例如，最新的 BSI 感測器在智慧手錶相機中可以在低光條件下捕捉高品質的影像，曝光時間比其前身短了 30%。
• 像素合併：這項技術結合相鄰像素的數據，以在低光環境中捕捉更明亮的圖像。通過這樣做，它減少了對能量密集型圖像增亮算法的需求。一些使用像素合併的低功耗傳感器可以在不增加功耗的情況下實現高達2倍的低光性能提升。
• 自適應電源模式：這些傳感器足夠智能，可以根據使用情況在活動、待機和睡眠模式之間切換。例如，一個智能手錶的相機可能會保持在睡眠模式，僅消耗微乎其微的電力（少於10μA），直到通過語音命令或特定手勢激活。一旦觸發，它會迅速切換到活動模式，在拍攝圖像時消耗約5mA。
這些先進的傳感器在主動捕捉期間通常消耗少於5mA，這比智能手機相機傳感器的功耗低多達70%。
2. 智能電源管理系統
即使是最有效的傳感器也需要一個智能電源管理系統來真正最大化電池壽命。可穿戴相機模組採用以下技術：
• 動態電壓與頻率調整 (DVFS)：這項技術根據當前任務的複雜性調整相機模組的操作電壓和處理速度。例如，在簡單的預覽模式下，模組可以以較低的電壓和頻率運行，與高解析度視頻捕捉模式相比，功耗可降低多達 50%。
• 連拍模式操作：相機並非持續運行，而是在拍攝圖像或視頻時僅在短暫的時間內啟動，通常為 1 - 2 秒。這大大減少了“開啟”時間，而這是電力消耗的最大因素。在某些健身追蹤可穿戴設備中，連拍模式操作將相機的可用時間從 2 小時延長至單次充電超過 6 小時。
• 電源閘控：這種方法在未使用時關閉未使用的組件，例如自動對焦馬達或閃光燈控制器。通過消除待機功耗浪費，電源閘控可以將整體功耗降低10 - 20%。
3. 邊緣計算在影像處理中的應用
傳統相機在影像處理上嚴重依賴設備的主處理器，這使整個系統保持活躍並消耗電力。低功耗可穿戴相機通過以下方式克服這一挑戰：
• 整合影像信號處理器 (ISPs)：相機模組內的小型專用ISP負責本地處理噪音減少、自動曝光和顏色校正等任務。這使主CPU的工作負載減少了多達60%，從而實現了顯著的節能。在工業AR眼鏡中，整合的ISP使相機能夠在單次充電下運行8小時的班次。
• AI - 驅動優化：機器學習算法用於預測場景條件，例如室內與室外的光照，並在拍攝圖像之前調整相機設置。這減少了後期處理時間和能源使用。一些AI優化的相機可以將處理時間減少30%，從而降低功耗。
4. 微型光學與機械
相機組件的大小和重量直接影響功耗。以下是一些光學創新：
• 固定焦距鏡頭：非常適合大多數可穿戴使用案例，例如近距離生物識別或 QR 碼掃描，固定焦距鏡頭消除了對耗電的馬達對焦系統的需求。這可以將與對焦相關的功耗降低多達 80%。
• 高折射率塑料鏡片：這些鏡片的重量約比傳統玻璃鏡片輕30%。它們的減輕重量意味著在移動穿戴設備中，如健身追蹤器，穩定所需的能量更少。例如，配備高折射率塑料鏡片的健身追蹤器在單次充電下可以比配備玻璃鏡片的運行長30分鐘。
• 晶圓級光學：微型透鏡陣列是使用半導體技術製造的，實現超緊湊的設計，並且對功耗要求極低。晶圓級光學可以在保持高光學性能的同時，將相機模組的整體尺寸減少40%。
低功耗相機模組在可穿戴設備中的主要應用
高效的相機技術正在為各行各業的可穿戴設備開啟新的令人興奮的應用案例：
• 醫療保健：配備低功耗攝像頭的智能手錶現在被用來監測皮膚狀況、檢測嬰兒黃疸或分析視網膜模式以便早期疾病檢測。這些應用可以在不需要每天充電的情況下運行數天。在最近的一項臨床試驗中，智能手錶攝像頭能夠準確檢測到85%病例的早期皮膚癌。
• 健身與運動：可穿戴相機在跑步手錶或自行車眼鏡中可以使用連拍模式捕捉鍛煉畫面，將電池壽命延長至超過12小時的連續使用。運動員現在可以錄製整個訓練課程，而不必擔心電池耗盡。例如，自行車騎士可以使用可穿戴相機錄製100英里自行車騎行，而不必擔心電池在途中耗盡。
• 工業增強實境：用於倉庫工人的增強實境眼鏡使用低功耗攝像頭掃描條碼和記錄庫存，單次充電可運行整整8小時的班次。這使得倉庫的生產力提高了20%，因為工人不再需要在工作日中停下來為設備充電。
• 長者護理：可穿戴的吊墜配備攝像頭，能夠與護理人員進行視頻檢查，使用最少的電力以確保超過7天的待機時間。這為長者及其家人提供了安心，知道在緊急情況下可以輕鬆聯繫到他們。
未來低功耗可穿戴相機的趨勢
下一代可穿戴相機模組將透過這些新興技術進一步推動效率的邊界：
• 鈣鈦礦傳感器：這些下一代傳感器在功耗減半的情況下，提供比矽更好的光敏感度，達到2倍。行業專家預測，鈣鈦礦傳感器可能在2026年早期開始出現在商業產品中。它們的採用可能會使可穿戴相機的電池壽命翻倍。
• 能源收集：未來的相機可能能夠將環境光或人體熱量轉換為電力，顯著延長關鍵功能的電池壽命。一些原型已經顯示出有希望的結果，能夠從人體熱量中收集足夠的能量來為相機提供短時間的電力。
• 零 - 電源喚醒 - 相機僅通過特定的視覺觸發器啟動，例如手勢，使用超低功耗的圖像識別算法。這可以將待機功耗降低到幾乎為零，進一步提高可穿戴相機的整體效率。
結論：投資於低功耗攝像頭技術
對於可穿戴設備製造商來說，優先考慮低功耗相機設計不再是一個選項；這是滿足消費者期望的絕對必要條件。通過利用先進的傳感器、智能電源管理、邊緣計算和微型光學，企業可以創造出既具高功能性又具全天候電池壽命的設備。
隨著可穿戴市場持續擴張，根據Technavio的預測，2024年至2029年間的年均增長率將達到18.1%，對超高效相機模組的需求將只會加劇。這些技術的早期採用者將獲得顯著的競爭優勢，提供在擁擠市場中脫穎而出的產品。
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