关注人工智能视觉芯片:国内研发新进展及未来市场展望

近年来,国内外一批新型人工智能企业,依托人工智能领域技术和算法优势向芯片行业渗透,加强人工智能芯片基础层研发。从市场格局来看,已发展成为一个相对独立又相互依存的产业生态。

  在视觉感知领域,人工智能视觉芯片(Vision Chip)正逐步应用于智能手机、安防监控自动驾驶、医疗成像和智能制造等领域。日前,在北京举行的国家自然科学基金优秀成果对接会上,中科院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室吴南健团队,展示了一款新型视觉芯片。所谓视觉芯片,实际上是一种具有高速图像采集和实时图像处理功能的片上集成系统芯片。

  据介绍,这种视觉芯片集成高速图像传感器和大规模并行图像处理电路,能模仿人类视觉系统视觉信息并行处理机制,解决现有视觉图像系统中数据串行传输和串行处理的速度限制瓶颈问题。

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AI视觉芯片技术,资料图

  AI视觉芯片与摄像头

  吴南健研究员解释说,人工视觉的架构分两部分,类似于人的眼睛和大脑。人的眼睛是一个典型的图像传感器,能摄取图像并进行一些噪音去除等初级图像处理;人的大脑神经元网络是一个视觉图像处理系统,具有非常强的对所摄取的视觉信息进行并行处理的能力。

  AI视觉芯片与摄像头的关系是:芯片做的是大脑,摄像头做的是眼睛。这里就存在一个问题:大脑该如何控制眼睛?传统的技术方法是定义一个通信控制接口,但在视觉应用中,这种做法会非常复杂。人眼的成像是非常聚焦的,只看到关注的东西。当AI算法解决了“要看什么”的问题后,前端成像就有了目标,可以把所有的资源都调配到关注的对象上,做到“指哪打哪”,也就是取出噪音的处理过程,可以更高效智能地处理视觉信息。这种根据AI的需求来成像,能解决很多以前解决不了的问题。

  通常,以前处理的方式,是通过摄像头把信息摄录,传到服务器或云端后,利用服务器上的显卡进行运算,现在是将视觉芯片嵌入摄像头,让其本身可以处理信息,做成专用芯片,如果芯片大批量生产,在价格上会便宜非常多,极大降低成本。这就是目前这项技术突破的核心价值。

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人工视觉系统芯片能完成图像获取和初级、中级、高级3个图像处理步骤。资料图

  比人类视觉更具优势

  比起人眼来,嵌入视觉芯片的机器将具备更多优势,因为可以传感更宽的频谱范围、更高的清晰度、更宽的视角,其视力远不止5.0,在夜间也可以看得很清楚。在某些应用场景,其视觉在准确性、客观性、稳定性等方面都要比人类视觉更具优势。

  目前,国内外在人工视觉芯片领域的研究主要是CMOS图像传感器芯片技术、并行图像处理技术和CMOS集成技术。在CMOS图像传感器领域,国际技术水平朝着高分辨率、宽动态范围、高帧率、高智能化、宽波长范围和三维成像的方向发展。人工视觉系统芯片能完成图像获取和初级(图像滤波)、中级(特征提取)、高级(特征识别和不规则处理)3个图像处理步骤。

  视觉芯片关键要解决运行效率和处理3D影像这两个问题。以往,视觉芯片处理信号面临的最大问题是因运算量太大导致处理信息速度低,以及摄取的照片是把三维世界“压缩”成二维影像,在一张平面上已分不清物体距离远近、立体空间形状、空间位置等,而人眼可把这个还原。

  据了解,新型人工智能视觉系统芯片,是将高速CMOS图像传感器、并行信号处理单元和输出电路集成于单一芯片内,实现实时视觉芯片系统。将不同功能的技术集成在一个芯片上有很多优势,实现图像获取和图像信息处理每秒一千帧的系统速度,可广泛应用于高速图像处理、快速图像识别解释、高速运动目标的实时追踪等领域。

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机器视觉技术可检测半导体芯片的产品尺寸和定位角度,资料图

  视觉系统芯片市场展望

  目前,基于该技术的产成品已经试用于一些创新企业,比如在工业产品的自动化检测领域,完全可以使用视觉系统芯片代替人工检测;在智能监控领域,可将视觉处理芯片装在具有传感器技术的摄像头上,通过把数据结构化、再压缩送到数据中心的复杂方式完成数据传输和计算。

  那么,视觉系统芯片如果在未来实现产业化,其市场空间有多大?据推算,2018年,图像传感器的市场规模在150亿美元左右,虽然其中120亿美元发生在智能手机领域,但未来发展比较快的4个领域是安防、国防、汽车、医疗,到2021年将会迎来40亿美元的市场空间,年增长率约10%到20%。

  吴南健指出,视觉处理器的需求增长会更快,目前该市场的整体规模(包括硬件、软件、服务)在170亿美元至180亿美元,单从硬件来看也占到约30亿美元。如果视觉系统芯片可以覆盖70亿美元的市场规模,企业在这中间拿到1%的话,其盈利空间就已经很大了。

  近年来,国内外一批新型人工智能企业,依托人工智能领域技术和算法优势向芯片行业渗透,加强人工智能芯片基础层研发。从市场格局来看,已发展成为一个相对独立又相互依存的产业生态。在前端,索尼是图像传感器市场、生产和技术的领导者,紧随其后的三星和豪威科技也保持着不错的竞争力;在后端,Mobileye和英伟达(NVIDIA)是提供视觉处理芯片的主要厂商,在国内该领域的公司有地平线等。

  然而,截至目前,尚没有企业实现“图像传感器+视觉处理器”集成式芯片的大规模量产。不管是现在的创业企业,还是已在市场上占有一定份额的大企业,不是做图像传感器,就是做后端的视觉处理器。正如吴南健所言,这将给初创企业带来机会。

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