· 熱成像應用越來越廣，拜尺寸縮小、功耗和成本降低之賜

如果我們有熱視覺會怎樣？ What If We Had Thermal Vision?

熱成像應用廣泛，從工業產品的製造和加工，到安全和監控。由於熱像儀測量的波長，大於光學成像中測量的波長，因此熱成像應用的開發人員，需要採用與傳統視覺應用不同的設計方法。透過了解熱成像和光學成像之間的差異，開發人員可以優化他們的設計，以利用正確類型的外部儲存器，從而實現更小的系統、更低的複雜性、更低的功耗，並最終降低系統成本。

紅外線光譜

人眼只能捕捉到，被稱為可見光譜的更大電磁光譜的一小部分。該區域之外還有其他光譜，例如 X 射線、紫外線 (UV)、紅外線 (IR) 和微波，其頻率和波長使人眼無法辨識。

在這個討論中特別重要的是紅外線光譜。紅外線光譜提供了，一種檢測和測量物體產生的熱量的方法。這被稱為「熱特徵」（heat signature）。物體越熱，它產生的紅外線輻射就越多。

熱像儀是可以捕獲紅外線輻射，並將其轉換為我們可以用肉眼看到的圖像的儀器。雖然紅外線成像，最初是為了在夜間定位敵方目標而開發的，但熱成像現在用於許多不同類型的應用，包括：

預防性早期火災探測和工廠狀態監測
工廠自動化（工業4.0）中的製造和加工
節能，例如確定房屋可能透過門窗裂縫散失熱量的位置。
夜間監視，例如周界保護
風暴和颶風等天氣追踪
診斷不同的疾病和細菌病毒。
檢查車輛（例如飛機和火車）
野生動物保護、農業、畜牧業
災難救援與恢復

使用溫度計的應用列表繼續成長。隨著公司在研發上投入更多，熱像儀只會變得更好、更便宜，從而進入更多應用領域，從娛樂到研究。

熱像儀有多種感測器、視野、幀速率和實體配置可供選擇。熱像儀由帶有鏡頭的機械外殼、紅外線感測器和由圖像處理器、FPGA、儲存器、通信和顯示電子設備組成的處理電子設備組成。鏡頭將紅外線能量聚焦到感測器上，感測器測量環境中任何物體的熱特徵。

熱感測器有多種像素配置，從 80 × 60 到 1280 × 1024 像素或更高。請注意，與可見光成像儀相比，這些解析度較低。因為熱探測器需要感應，波長比可見光大得多的能量，所以每個感測器元件也必須大得多。考慮到標準消費類攝影機的像素尺寸約為 1.7μm，而工業機器視覺攝影機的像素尺寸介於 4.6μm 到 6.5μm 之間，具有更大的光活性表面，以獲得更好的信號。熱像儀具有更大的感測器，像素尺寸為 25μm。因此，熱像儀的解析度通常比相同機械尺寸的可見感測器低得多（即整體像素更少）。

請注意，雖然較大的像素尺寸會降低解析度，但這也意味著可以非常精確地測量紅外線攝影機感應到的熱量。這對於各種各樣的應用很重要。例如，一些熱像儀可以檢測到熱量的微小差異 —— 小至 0.01°C —— 並將它們顯示為灰色陰影，或使用不同的調色板。

記憶挑戰

熱像儀中的 FPGA 過濾和處理感測器和探測器產生的信號。FPGA 內的 RAM 模組，通常不足以儲存和處理數據。該系統將不得不依賴片外圖像儲存器，來執行諸如運行算法、顯示數據和緩衝通信等任務。擴展內見記憶體還提供了額外的好處，即允許設計可擴展，以滿足不斷擴大的密度要求。

傳統上，OEM 使用 DRAM 透過 DDR 介面進行 off-chip 儲存。然而，鑑於熱成像對圖像解析度的要求較低，off-chip 儲存器的要求大大低於光學攝影機的要求。因此，高密度 DRAM 可能會矯枉過正，並增加產品成本，而沒有提供任何真正的好處。DRAM 通常還需要 30 多個引腳用於數據傳輸。這些引腳在額外的信號路由，和需要額外的 PCB 層，來運行這些信號跡線方面增加了系統開銷。此外，由於 DRAM 是易失性的，因此需要定期刷新單元以保存數據。因此，使用太大的 DRAM，意味著更高的功耗，直接影響電池供電的熱成像應用的使用壽命。

為了應對 DRAM 的內建記憶體挑戰，攝影機 OEM 正在使用 HyperRAM 內建記憶體等替代內建記憶體技術。HyperRAM 基於 DRAM 架構，並包括內置的自刷新電路。與 DRAM 相比，HyperRAM 僅需要 25mA 的有效電流（參見表 1），其功耗只是其一小部分，因此對於便攜式應用而言，它具有足夠的功率效率。

表：HyperRAM 與單數據速率 (SDR) DRAM 的比較。[*注：比較使用 64Mb 設備作為基礎。]（來源：英飛凌科技）

HyperBus 內建記憶體介面和協議，提供與 DDR 相當的吞吐量 – 400MBps – 同時只需要 12 個引腳進行數據傳輸。無需實現昂貴的 DDR DRAM 內建記憶體控制器，可以在 FPGA 中的軟 IP 中，實現門數高效的 HyperBus 內建記憶控制器，使其成為 off-chip 擴展內建記憶體的最佳和高效方法（參見圖 1）。

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圖 1：（左）使用外部 DDR SDRAM 和 NOR 快閃記憶體的攝影機需要兩條內建記憶體總線，總共 41 個引腳，將 PCB 層增加到六層或更多。（右）使用 HyperRAM 和 HyperFlash 作為外部儲存器的攝影機，可以透過 13 個引腳的單一總線進行通信，並且只需要兩到四個 PCB 層。（來源：英飛凌科技）

大多數攝影機設計，還需要外部 NOR Flash 來儲存參數，和其他需要在斷電（電池供電）或出現電源故障時，保留的重要資訊。使用標準 NOR 快閃記憶體，總線接口將需要另外 10 pins 引腳，使引腳總數達到 41 個。作為 NOR 快閃記憶體的替代品，OEM 可以使用 HyperFlash 儲存器。

HyperFlash 是利用 HyperBus 介面的 NOR Flash。這使系統能夠利用相同的總線與 HyperRAM 和 HyperFlash 設備進行銜接，從而進一步減少總體引腳數。在這種情況下，銜接總共只需要 13 pins 引腳：12 pins 引腳用於數據傳輸，另外 1 pin 引腳用作 chip 選擇。將此與單獨的 DDR DRAM 和 QSPI NOR 快閃記憶體設備可能需要的 41 多個引腳進行比較。

請注意，HyperRAM 擴展內建記憶體，也可用於工業機器視覺應用，作為圖像內建記憶體的 DRAM 的替代品。HyperRAM 採用低引腳數封裝，密度範圍從 64Mb 到 512Mb，支持 HyperBus 和八通道 xSPI JEDEC 相容介面。HyperBus 得到合作夥伴生態系統的支持，HyperBus 內建記憶體控制器也可用作 RTL IP，用於在 FPGA 中實現控制器。

熱像儀的開發人員必須應對，不同於光學攝影機設計人員所面臨的挑戰。透過選擇符合熱成像系統要求的外部儲存器技術，OEM 可以簡化其信號追踪、減少所需的 PCB 層數、降低整體系統成本並降低功耗，從而延長使用壽命。