車(chē)載攝像頭技術(shù) — 圖像傳感器（二）

一束光線 2021-06-23

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上周我們所了下攝像頭的鏡頭部分，今天繼續(xù)來(lái)講圖像傳感器。

圖像傳感器通過(guò)攝像頭的鏡頭捕獲光子，將其轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，然后進(jìn)一步處理獲得數(shù)字圖像。圖像傳感器構(gòu)成了汽車(chē)視覺(jué)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)車(chē)輛中與視覺(jué)相關(guān)的所有數(shù)據(jù)。由圖像傳感器捕獲的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像傳感器中的內(nèi)部ISP或SoC中集成的ISP進(jìn)行后處理，然后車(chē)載ECU根據(jù)車(chē)輛的環(huán)境進(jìn)行有效的決策。

圖像傳感器的功能范圍及其對(duì)不同挑戰(zhàn)性的現(xiàn)實(shí)駕駛場(chǎng)景的適用性，對(duì)于向自動(dòng)駕駛平臺(tái)提供最佳輸入至關(guān)重要。

汽車(chē)攝像頭模塊使用基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器（CIS）。CMOS圖像傳感器由像素陣列組成，每個(gè)像素陣列都包含一個(gè)光電探測(cè)器和一個(gè)有源放大器。感光像素的矩形陣列按行和列排列，這些像素使用模擬電路將入射光轉(zhuǎn)換為電壓（CMOS）或電流（CCD）信號(hào)。這些信號(hào)被轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)為數(shù)字值，其他邏輯應(yīng)用于后續(xù)的處理和分析。

隨著ADAS和自動(dòng)駕駛功能的不斷提高，對(duì)于更加先進(jìn)的CMOS圖像傳感器的需求不斷增長(zhǎng)。技術(shù)的不斷發(fā)展增加了圖像傳感器的小型化和像素?cái)?shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了更好的圖像質(zhì)量和性能。

車(chē)規(guī)級(jí)圖像傳感器的技術(shù)要求與普通攝像頭有很大不同。車(chē)載攝像頭在非?？量痰沫h(huán)境中運(yùn)行，圖像傳感器暴露于巨大的溫度范圍和環(huán)境光水平下。隨著汽車(chē)視覺(jué)系統(tǒng)在安全關(guān)鍵領(lǐng)域中的應(yīng)用，汽車(chē)攝像頭需要在大范圍的工作條件下連續(xù)運(yùn)行，輸出參數(shù)不能出現(xiàn)任何惡化。這使得汽車(chē)攝像頭的制造和封裝變得復(fù)雜。我們逐個(gè)看下汽車(chē)圖像傳感器所需的性能參數(shù)。

分辨率

當(dāng)前大多數(shù)汽車(chē)傳感器的分辨率在1.3-4 MP范圍之間。1.3 MP分辨率攝像頭具有FoV為40–60°的鏡頭，可以檢測(cè)100m范圍內(nèi)的行人。但某些ADAS自動(dòng)駕駛功能要求分辨率在全高清（1080p）甚至4K（3,840×1,920）范圍內(nèi)，因?yàn)檫@些功能需要從遠(yuǎn)距離識(shí)別交通和道路標(biāo)志。更高的分辨率將增加清晰度，并有助于擴(kuò)大檢測(cè)范圍。預(yù)計(jì)8-12 MP的高分辨率攝像頭將有望取代2-4 MP的攝像頭。

后視和環(huán)視攝像頭系統(tǒng)的分辨率也由用于將圖像投射到駕駛員的顯示分辨率來(lái)定義。定義分辨率的另一個(gè)關(guān)鍵方面是整體系統(tǒng)成本。因?yàn)榉直媛矢?，ISP需要處理更多像素，需要昂貴的處理器。更高的分辨率還需要固定的光學(xué)格式鏡頭，這種鏡頭價(jià)格昂貴，從而進(jìn)一步增加了整體模塊成本。

FoV

相機(jī)模塊的視場(chǎng)（FoV）本質(zhì)上由鏡頭和圖像傳感器定義，且不同的應(yīng)用需要不同的FoV。前向攝像頭的水平FoV通常在30–60°范圍內(nèi)，但某些傳感器的廣角覆蓋范圍高達(dá)180°。常規(guī)理由是，前向攝像頭的FoV應(yīng)該足夠?qū)?，以確保正確覆蓋車(chē)道正前方的車(chē)道標(biāo)記和障礙物。30°的FoV可以支持各種功能，例如LDW、VRU檢測(cè)，以及30m范圍的交通標(biāo)志識(shí)別。

后方輔助、停車(chē)輔助和360°環(huán)視等應(yīng)用需要FoV大于140°的廣角鏡頭。車(chē)載攝像頭模塊大多使用定焦鏡頭，以避免與可變焦鏡頭的運(yùn)動(dòng)部件相關(guān)的振動(dòng)問(wèn)題。

顏色

顏色感知也是汽車(chē)攝像頭模塊的重要參數(shù)。諸如后視、環(huán)視和泊車(chē)輔助系統(tǒng)之類(lèi)的視覺(jué)應(yīng)用可向顯示器提供色彩輸出。顏色感知也是諸如交通標(biāo)志識(shí)別或解釋交通信號(hào)之類(lèi)應(yīng)用的重要組成部分，但在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中使用顏色是相對(duì)較新且不常見(jiàn)的。

HDR

高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）是場(chǎng)景中最高光強(qiáng)度與最低光強(qiáng)度的比率。動(dòng)態(tài)范圍是汽車(chē)攝像頭的關(guān)鍵參數(shù)。攝像頭的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)足夠大，以適應(yīng)駕駛場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍，否則圖像將丟失場(chǎng)景的重要細(xì)節(jié)。HDR在捕獲各種照明強(qiáng)度和方向的可靠圖像方面起著重要作用。

HDR在以下情況中起著至關(guān)重要的作用：車(chē)輛從黑暗的隧道中出來(lái)進(jìn)入陽(yáng)光下；夜間在低光照條件下靠近車(chē)輛的行人；朝著陽(yáng)光行駛；在夜間行駛時(shí)，迎面而來(lái)的車(chē)輛發(fā)出的光線使圖像傳感器失效等。

汽車(chē)圖像傳感器應(yīng)具有比人眼更好的視覺(jué)識(shí)別能力。人眼的動(dòng)態(tài)范圍為104 dB，因此汽車(chē)攝像頭有效運(yùn)行的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)該達(dá)到140 dB。

弱光成像能力

汽車(chē)圖像傳感器需要在弱光環(huán)境下極為敏感，以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于夜視攝像頭的功能。弱光能力直接取決于像素大小，像素大小決定了鏡頭大小和整個(gè)攝像頭模塊大小。對(duì)于汽車(chē)攝像頭而言，14 dB的信噪比以及更寬的信噪比分布對(duì)于弱光成像至關(guān)重要。

LFM

圖像傳感器能夠看到顏色并讀取標(biāo)志；但車(chē)輛上或周?chē)母喙庠词褂肔ED。汽車(chē)的大燈和尾燈以及交通信號(hào)燈和指示牌也越來(lái)越多地采用LED。這帶來(lái)的挑戰(zhàn)是，LED是脈寬調(diào)制的，且雖然它們是人眼無(wú)法察覺(jué)到的，但圖像傳感器可以看到這些調(diào)制。

讓傳感器自己解決這個(gè)問(wèn)題，效率更高，系統(tǒng)延遲更短。有多種方法可以實(shí)現(xiàn)LFM（LED閃爍抑制），但大多數(shù)實(shí)現(xiàn)方法都涉及將像素光電二極管分為大光電二極管和小光電二極管，然后分別調(diào)整每個(gè)光電二極管的增益。這允許其中一個(gè)二極管捕獲短時(shí)脈沖，而另一個(gè)捕獲長(zhǎng)時(shí)脈沖。然后將兩個(gè)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，以減輕LED閃爍的影響。正如在汽車(chē)行業(yè)中經(jīng)常發(fā)生的那樣，LFM作為一項(xiàng)獨(dú)特功能，一開(kāi)始就已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)。好消息是拆分光電二極管還提高了傳感器的HDR性能。但由于沒(méi)有關(guān)于標(biāo)志或汽車(chē)上的LED的工作頻率的標(biāo)準(zhǔn)，因此不太可能使圖像傳感器不受所有LED閃爍的影響。

環(huán)境能力

與消費(fèi)類(lèi)攝像頭相比，車(chē)載攝像頭在完全不同的工作條件下運(yùn)行。乘用車(chē)的工作溫度范圍很容易在-40-105°C之間變化。除極冷至極熱外，汽車(chē)攝像頭模塊還會(huì)暴露在暴雨、冰雹以及塵土飛揚(yáng)的路面等條件下。無(wú)論運(yùn)行條件如何，車(chē)輛中的攝像頭模塊都要提供ADAS和自動(dòng)駕駛功能所需的性能。另一個(gè)關(guān)鍵因素是攝像頭在車(chē)輛中的位置。它們大多位于前格柵或擋風(fēng)玻璃后面，完全暴露在日光下。暴露在陽(yáng)光下，以及電子元器件和先進(jìn)的處理器，都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，可能還需要溫度控制。

由于這些原因，汽車(chē)圖像傳感器應(yīng)在-40-105°C的溫度范圍內(nèi)提供出色的性能。攝像頭供應(yīng)商需要密切注意其傳感器在具有挑戰(zhàn)性的駕駛條件和天氣條件下的性能，以保證車(chē)規(guī)級(jí)的可靠性。他們應(yīng)提供AEC-Q100 2級(jí)的可靠性，以符合車(chē)載應(yīng)用的要求。

外形尺寸

車(chē)載攝像頭模塊需要采用緊湊的外形尺寸，從而能夠在不損害空氣動(dòng)力學(xué)的情況下有效集成到車(chē)身中。車(chē)載應(yīng)用需要具有堅(jiān)固封裝的集成攝像頭模塊，以抵抗外部沖擊和振動(dòng)，包括玻璃或帶有塑料光學(xué)元件的玻璃。總體模塊成本也是選擇汽車(chē)攝像頭模塊的重要參數(shù)。OEM更傾向于高度集成的模塊，同時(shí)具有最佳的成本和最小的尺寸，又不會(huì)影響汽車(chē)的需求。

汽車(chē)圖像傳感器供應(yīng)商包括索尼、OmniVision、安森美、松下、ST和Himax。

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