Новая архитектура повысит энергоэффективность камер в тысячи раз

Американские инженеры разработали новую архитектуру для камер, позволяющую значительно повысить их энергоэффективность. Они предложили с помощью обратного рассеяния передавать данные с пикселей сразу на соседнее устройство, например, смартфон, и проводить дальнейшую первичную обработку сигналов на нем. За счет такой схемы сама камера сможет расходовать в тысячи раз меньше энергии, чем существующие аналоги, говорится в докладе, представленном на конференции NSDI 2018.

Помимо смартфонов со встроенной камерой есть и отдельные носимые устройства, которые могут снимать видео или фотографии и передавать их на смартфон. Как правило, такие устройства недолго работают от одного заряда аккумулятора, потому что съемка, кодирование и беспроводная передача видео — довольно энергозатратные процессы. В обычных внешних камерах процесс съемки и передачи видео устроен следующим образом. Сначала фотодиоды матрицы регистрируют попадание на них света и передают данные на усилитель сигнала, который, в свою очередь передает сигнал на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Затем цифровые данные с АЦП сжимаются и передаются на активный радиопередатчик, посылающий их на смартфон или другое устройство.

Инженеры из Вашингтонского университета под руководством Джошуа Смита (Joshua Smith) разработали альтернативную архитектуру для внешних камер, оптимизированную для минимального расхода энергии. Они предложили внести два существенных изменения в конструкцию камер. Во-первых, они вынесли основные компоненты, отвечающие за первичную обработку сигнала, из камеры во внешнее устройство, которое не настолько ограничено в энергии, например, смартфон или ноутбук. Данные с пикселей (авторы использовали монохромные пиксели) с помощью широтно-импульсной модуляции преобразуются в импульсный сигнал, в котором ширина каждого импульса пропорциональна яркости пикселя.

Во-вторых, разработчики убрали еще один компонент, тратящий много энергии — активную антенну для передачи сигнала с камеры. Ее они заменили на пассивную антенну, основанную на обратном рассеянии радиоволн от внешнего источника. Импульсы вносят помехи в отражаемый сигнал и тем самым добавляют в него данные. Кроме того, исследователи применили зиг-заг сканирование, которое учитывает, что соседние пиксели часто слабо различаются, что позволяет дополнительно сжать данные (этот метод применяется при сжатии популярного формата JPEG).

Инженеры проверили концепцию двумя способами. Сначала они симулировали работу камеры в специальном программном обеспечении и выяснили, что на передачу видео с разрешением 1080p и частотой 60 кадров в секунду потребление камеры должно составить 806 микроватт. Разработчики утверждают, что это в тысячи раз меньше, чем у существующих аналогов. Также расчеты показали, что на расстоянии двух с половиной метров камера может передавать видео с разрешением 1080p и 30 кадрами в секунду, используя только энергию, добываемую из радиоволн от внешнего источника.

Кроме моделирования инженеры проверили работоспособность метода на реальном устройстве. Поскольку существующие HD-камеры не выдают значения напряжения на пикселях своих матриц, исследователи взяли ролики с YouTube и пропустили их через цифро-аналоговый преобразователь для симуляции данных с камеры. Подключив преобразователь к пассивной антенне они экспериментально показали, что таким образом можно передавать видео 720p с частотой 30 кадров в секунду на расстояние почти пяти метров.

Другая группа исследователей из Вашингтонского университета под руководством одного из авторов этой работы недавно представила полностью пассивные Wi-Fi передатчики, которые можно использовать для передачи небольших объемов данных от бытовой техники и других устройств. Незадолго до этого они также создали новую вариацию технологии LPWAN, позволяющую наладить энергоэффективную беспроводную связь с датчиками на относительно больших расстояниях.

Григорий Копиев