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一名算法工程師項目失敗後的感悟

西门子深爱激情网內容   查阅次数:2316   更新时间: 2019-06-17 17:21

領導把公司的一個重要研究項目交到了我手上--關鍵詞喚醒系統,也就是當下最熱門的熱詞喚醒。爲了盡快的給客戶演示,留給我的時間大約有三個月,剛開始我估算了一下,算法研究一個月,仿真一個月,後面調試差不多再有一個月基本就可以了。音頻算法我這塊以前研究過不少,有這塊的相關經驗。按道理是可以按時交付的。

就這樣,項目在我的調研中就開始了,開始的時候,調研了不少業內的開源的熱詞喚醒系統,再結合公司的平台。所以,一定要選擇那種資源占用少,效率高的算法。經過兩周調研,我選中了一塊比較小的開源熱詞喚醒系統,該算法算是仿真環境下最適合小系統上使用的了。接下來,就要測試一下該系統喚醒率怎麽樣了,由于該系統只要自帶的特殊格式的音頻文件才能測試,用該系統自帶的音頻格式測試,效果非常的好。識別率基本是100%。這樣的效果讓我對該算法充滿了信心。慢慢都是正能量。

接下來就需要把算法在pc機上進行仿真,這塊的工作主要有把算法的底層改動能適應公司硬件平台需求,接口改動能夠讀取主流的音頻格式。能否在pc機上仿真算法的效果。其實,這中間的工作量還挺大,足足花了我三周的時間去完成。等到完成了基本的仿真,確認基本效果ok之後,就開始了下一步的工作--把算法移植到芯片上。

把算法移植到芯片上,這部分主要是接口的工作量比較大,是芯片的接口能夠適配算法。這段時間花費了我三周的時間。等到基本移植完成之後,項目周期已經過去了三分之二。這時的我,有點著急了。破屋偏逢連陰雨,就在這快要結束的時刻,發現了幾個比較嚴重的問題,一個是,針對熱詞喚醒,vad檢測音頻之後再啓動特征提取,這時算法的效果就變差了。再者就是從麥克過來的音頻有噪聲,這樣也會降低了識別率。這兩個問題是非常的棘手。vad檢測和算法的特征提取配合,這個需要反複的驗證和調vad的參數和算法的流程,同時也需要在電腦上進行仿真,這樣來回的仿真和單板的來回測試,花了差不多兩周的時間,效果仍舊不是那麽的好。不過,算是湊合著能演示吧,不管了,先把深爱激情网的demo做出來再說。另外一個麥克通路過來有噪聲的問題,需要我拉著硬件的和數字的同事一起看。等到我和他們一起把這個問題解決時,深爱激情网周期已經到了。從我簡單的測試效果來看,基本能用了吧。于是,就給老大說,已經完成了。爲了快速的出去演示,老板也沒有去仔細的測試,直接把東西拿到客戶那邊演示了。等到聽到客戶的反饋時,我那麽僥幸的心情瞬間崩塌,深爱激情网遠遠沒有達到要求。三個月的努力瞬間化爲悔恨和懊惱,到底哪兒出了問題?

哪兒出現了問題?

該項目的失敗,讓我一直在問題自己這樣一個問題,到底我在這裏錯在哪兒?從一個深爱激情网經理的角度來講,我錯在是時間估計太樂觀,其實,後面和一個資深的算法工程師討論過這個問題,他說的還是挺有一定有道理的。一個算法從理論到深爱激情网,一般要經過一年的時間去打磨,太快了會出事的。回顧一下自己的這個項目,就是後面的測試太少,客戶的場景基本沒有考慮的情況下,不出問題才怪呢。都怪我太匆忙。今後,這點一定要注意,項目評估時間的時候還是要留余量的。

從一個軟件開發人員的角度來考慮,最大的問題就是思維不夠缜密,心存僥幸心裏,對客戶的的使用場景沒有充分的去調研和測試。反複想一想,其實,這種事情不止一次發生在我身上了,自己沒有經過測試充分的深爱激情网給測試人員,測試人員能會測試不出來問題嗎?客戶難道不會測試出來問題?做事情,千萬不能心存僥幸,這個是血的教訓啊。

此岸和彼岸

其實,每個翩翩少年,都藏著一顆用代碼去改變世界的夢想,可是,當面臨著現實的種種煩擾時,有太多的理由和困難讓我們去放棄。在無數先賢人們構造的軟件數字迷宮中,作爲一個凡夫俗子的程序員更容易迷失方向,到底,怎麽才能到達彼岸,哪兒又是彼岸呢?依稀還記得老子的一句話--圖難于其易,爲大于其細。天下難事必作于易,天下大事必作于細。當穿越軟件的層層迷宮之後,我才有點幡然醒悟的覺決。算法的彼岸,就是客戶的認同和滿足,一切的深爱激情网,都應該以是否滿足客戶的需求去定義和開發。在這個此岸彼岸之間,就是這就是老子留給我的那句心決--難作于易,大作與細。

用于3D攝像頭的VCSEL技術

傳感器技術編輯整理

傳統的光電轉換技術一般采用?LED?等發光器件。這種發光器件多采用邊緣發射,體積大,因此比較難以和半導體技術結合。?20?世紀?90?年代垂直腔表面發射激光?VCSEL?技術成熟後,解決了發光器件和半導體技術結合的問題,因此迅速得到普及。

晶圓光學鏡片中間的兩面發射垂直腔面發射體激光器

近年来,智能深爱激情网领域相关技术更新迭代十分迅速,由于人们的日常需求逐渐提高,深爱激情网的拍照,感应,识别等功能尤其受到关注,故深爱激情网摄像头用量提升的趋势仍处于加速态势,特别是3D摄像头等新创新的使用也将为深爱激情网摄像头领域提供增益,尤其以VCSEL激光器为核心关键元器件的3D Sensing摄像头在深爱激情网上的应用,带动相关市场迎来一轮爆发。

3D Sensing摄像头

3D Sensing摄像头相比于传统摄像头除了能够获取平面图像以外,还可以获得拍摄对象的深度信息,即三维的位置及尺寸信息,其通常由多个摄像头+深度传感器组成。3D 摄像头实现实时三维信息采集,为消费电子终端加上了物体感知功能,从而引入多个“痛点型应用场景”,包括人机交互、人脸识别、三维建模、安防和辅助驾驶等多个领域,3D Sensing摄像头让交互方式从平面变成了立体。而3D Sensing摄像头产业链与传统摄像头产业链相比主要新增加红外光源+光学组件+红外传感器等部分,其中最关键的部分就是红外光源。

因特尔公司研发的RealSense 3D摄像头架构

目前,可以提供800-1000nm波段的近红外光源主要有三种:红外LED、红外LD-EEL和VCSEL。早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源,但是随着VCSEL技術的成熟,性价比已经接近红外LED,除此之外,在技术方面,由于LED不具有谐振腔,导致光束更加发散,在耦合性方面很差,而VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优的情况下,现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源。而与传统边发射激光器相比,VCSEL 在光束质量、与光纤耦合效率、腔面反射率上都具有较大优势,且因为VCSEL发射光线垂直于衬底而边发射激光器发射光线平行于衬底,因此 VCSEL 能够实现二维阵列而边发射激光器不行。

VCSEL技術

垂直腔面發射激光器是一種半導體,其激光垂直于頂面射出,與一般用切開的獨立芯片制成,激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。

VCSEL是很有發展前景的新型光電器件,也是光通信中革命性的光發射器件。顧名思義,邊發射激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射,而面發射激光器其出光方向垂直于襯底表面,如下圖:

邊發射激光器與面發射激光器示意圖

它優于邊發射激光器的表現在于:易于實現二維平面和光電集成;圓形光束易于實現與光纖的有效耦合;可以實現高速調制,能夠應用于長距離、高速率的光纖通信系統;有源區尺寸極小,可實現高封裝密度和低阈值電流;芯片生長後無須解理,封裝後即可進行在片實驗;在很寬的溫度和電流範圍內都以單縱模工作;價格低。

VCSEL的優異性能已引起廣泛關注,成爲國際上研究的熱點。這十多年來,VCSEL在結構、材料、波長和應用領域都得到飛速發展,部分深爱激情网已進入市場。

VCSEL?基本結構

VCSEL?的結構示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質材料交替生長成的分布布喇格反射器之間連續生長單個或多個量子阱有源區所構成。典型的量子阱數目爲?3~5?個,它們被置于駐波場的最大處附近,以便獲得最大的受激輻射效率而進入振蕩場。在底部還鍍有金屬層以加強下面?DBR?的光反饋作用,激光束從頂部透明窗口輸出。

實際上,要完成低阈值電流工作,和一般的條型半導體激光器一樣,必須使用很強的電流收斂結構,同時進行光約束和截流子約束。由上圖可見,?VCSEL?的半導體多層模反射鏡?DBR?是由?GaAs/AlAs?構成的,經蝕刻使之成爲?air-post結構。在高溫水蒸汽中將?AlAs?層氧化,變爲有絕緣性的?AlxOy?層,其折射率也大大降低,因而成爲把光、載流子限制在垂直方向的結構。對?VCSEL?的設計集中在高反射率、低損耗的?DBR?和有源區在腔內的位置。

VCSEL激光器的特點

由于VCSEL與邊發射激光器有著不同的結構,這就決定了兩者之間有不同的特點和性能,下表中列出了兩種激光器的基本參數。

從表中我們可以看出,VCSEL有源區的體積小、腔短,這就決定了它容易實現單縱模、低阈值電流工作,但是爲了得到足夠高的增益,其腔鏡的反射率必須達到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率,從而在高速數據傳輸以及光通信中,預計將有著廣泛的應用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直,可以實現很好的橫向光場限制,進行整片測試,得到圓形光束,易與制作二維陣列,外延晶片可以在整個工藝完成前,節約了生産成本。

VCSEL的優點主要有:

l.出射光束爲圓形,發散角小,很容易與光纖及其他光學元件耦合且效率高。

2.可以實現高速調制,能夠應用于長距離、高速率的光纖通信系統。

3.有源區體積小,容易實現單縱模、低阈值的工作。

4.电光转换效率可大于50%,可期待得到较长的器件寿命。 5.容易实现二维阵列,应用于平行光学逻辑处理系统,实现高速、大容量数据处理,并可应用于高功率器件。

6.器件在封裝前就可以對芯片進行檢測,進行深爱激情网篩選,極大降低了深爱激情网的成本。

7.可以應用到層疊式光集成電路上,可采用微機械等技術。

VCSEL的發展史

VCSEL的曆史,也是在諸多學者機構的努力下,其性能不斷優化的曆史,在這幾十年的曆史中,IGA及其帶領的團隊起到了不可磨滅的作用,可以堪稱IGA教授爲VCSEL之父。

隨著VCSEL的諸多優點,其應用也越來越廣泛。並且爲了適合這些應用,VCSEL也朝著多個方向在各自發展,如圖所示,爲其主要應用:

不同波長VCSEL應用領域

由于目前VCSEL最主要應用在光傳輸方面,基于1979年Soda等人的VCSEL爲開端,VCSEL的發展,主要經曆了2個階段:

第一階段:從VCSEL誕生到20世紀末,蠻荒發展階段。

在這個階段,各個組織機構都提出以及嘗試了各種不同結構類型的VCSEL,最終氧化物限制型VCSEL由于其諸多優點而勝出。

1994年,Huffaker等人率先采用在台面結構下本征氧化AlGaAs,生成掩埋高阻層Al氧化物的方式,來對電流進行進一步的限制。利用這種結構,阈值電流可以降低到225uA。而這種結構就是目前普遍采用的氧化物限制型結構的原型;

首個氧化物限制型VCSEL

2013年,Iga對VCSEL的關鍵指標如阈值電流、調制帶寬與有源區的關系給出了簡單的關系公式。

VCSEL的阈值電流同其他半導體激光器一樣,與有源區體積有如下關系式:

由公式可以看出,为了降低阈值电流,就需要不断减小有源区体积。比较当前的VCSEL与条状激光器的有源区体积,可以发现,VCSEL的V=0.06um3, 条状激光器依然在V=60um3, 这就是为什么条状激光器的阈值电流典型值仍旧在几十mA的级别,而VCSEL的阈值电流已经达到了亚毫安级别。

第二階段:逐漸發展成熟階段及優化階段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低阈值電流等很多優點,這種結構的VCSEL被很快運用到了光通信中。

由于高的工作電流可以帶來更好的調制特性,但同時也會相應的增加功耗,進而帶來溫度的上升,會對可靠性帶來影響。調制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領域中重要的挑戰。2007年,Y-C.Chang等人采取增加深氧化層層數到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯阻抗的方式,在0.9mA電流下實現的15GHz調制帶寬,相應的功耗只有1.2mW,帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW,是當時最先進水平。VCSEL截面結構如圖所示:

深氧化層氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL結構,同年,Y-C.Chang等人又實現了35Gbps的無誤碼傳輸。

2011年,petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子寿命与谐振频率及调制速率的关系,并指出在高谐振频率以及低阻尼震荡中取得一个折衷来提高速率:当光子寿命接近3ps时,可以使VCSEL的调制带宽达到23GHz,同时可以得到40Gb/s的无误码传输。

近年來,各個興趣小組對于高速率、低功耗的VCSEL研究依然興趣不減,圖10是截止到2015年,各機構的研究成果。可以看出,如果采用預加重的方式,目前VCSEL背靠背傳輸可以達到71Gbit/s。

短波長VCSEL光互聯領域發展近況

VCSEL在深爱激情网AR功能與投影領域的應用

AR即增强现实技术,它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息,通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。而AR最核心技术在于光学,尤其是激光技术,无论是手势识别、三维重构还是成像,光学技术都是决定性基础。除了3D摄像模块,最关键的就是光学成像模块。例如微软公司的HoloLens 配备两块光导透明全息透镜,虚拟内容采用 LCoS投影技术,从前方微型投影仪投射至光导透镜后进入人眼。

Hololens AR眼镜的LCoS微型投影仪

LCOS是小型化 AR 头显的关键技术之一。三片式的 LCOS 成像系统,首先将投影光源发出的白色光线,通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线,然后,每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上,系统通过控制 LCOS 面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱,最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线,经过投影机镜头照射到屏幕上,形成彩色的图像。目前在投影光源上主要有LED和激光两种方案,由于激光在光束质量、亮度、功耗和使用寿命上无可比拟的优越性,将是未来的发展方向。

以色列Lumus的AR眼鏡也采用了微型投影技術,成像關鍵部件由微型投影儀、光導元件和反射波導組成。植入眼鏡的微型投影儀將圖像畫面進行投放,通過光導元件、反射波導形成全反射。

Lumus AR眼镜也采用了微型投影技术

綜上,微投成像和3D攝像將是未來AR産業兩大核心技術,以VCSEL爲代表的半導體激光器件將成爲AR光學技術的最基礎部件,引領消費電子光學時代。而隨著投影顯示技術的發展,人們對投影系統的亮度、解析度、色彩豐富性的要求將會越來越高,光源作爲投影系統的重要部件,其發光特性將直接決定投影系統質量。激光光束色度、照度高度均勻,具有亮度高、單色性好、波長固定等傳統光源無可比擬的優勢,未來取代LED成爲微型投影模塊、投影儀、投影電視等設備光源將是大概率事件。

目前,激光顯示技術主要有三基色純激光、熒光粉+藍光、LED+激光混合光源三種技術,對比來看,三基色純激光優勢較爲明顯。三基色激光被業界視爲最正統的激光光源,其具有色域廣、光效高、壽命長、功耗低、一致性好、色溫亮度可調、穩定、安全可靠免維護、應用靈活等優點。

三基色純激光顯示原理示意圖

技術進展來看,紅光激光二極管技術發展已經十分成熟,藍光激光二極管價格尚高,綠光激光二極管則還有待發展。從已披露專利來看,目前已有“紅光VCSEL陣列+藍光VCSEL陣列+綠色全固體激光器”的解決方案,VCSEL單元用于發出圓化激光光束,經過微透鏡陣列准直化後作爲R、B光輸出。此外,采用VCSEL面陣可以減少VCSEL激光器之間的幹涉性,弱化激光散斑,從而提高投影顯示質量。

VCSEL在激光雷達領域的應用

日本汽车电子厂家日本电装近期公布了对Trilumina公司的战略投资,该公司主要进行针对雷达设备的高功率VCSEL阵列开发,而这些雷达设备主要面向辅助驾驶和无人驾驶应用。在CES2017上,Trilumina 公司展示了自己基于 VCSEL阵列的256像素3D激光雷达解决方案,如若进展顺利,公司开发的光源模块将高清和远距离传感器功能整合进小尺寸、稳定且具成本效益的包装中,可取代目前应用于自动驾驶汽车示范项目的大尺寸、高成本扫描激光雷达。

激光雷達感應周圍車距、三維重建

VCSEL的迅速發展和固有優點已使其成爲光電子應用中的關鍵器件,有強大的生命力。近年來,性能優異的VCSEL不斷被研發,主要涉及其低阈值電流,高輸出功率,高電光轉換效率,低工作電壓,高調制帶寬和高産額。相信隨著VCSEL的不斷發展,它將會獲得越來越多的潛在應用。

原文标题:用于3D攝像頭的VCSEL技術

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