汽車(chē)安全系統中的攝像頭技術(shù)

在上世紀60年代，汽車(chē)業(yè)將注意力轉向尋找能夠保證駕駛者和乘客安全的創(chuàng )新方法。結果如何呢？出現了緩沖方向盤(pán)和儀表板、座椅安全帶，以及其后的安全氣囊和電子穩定性控制系統。自那時(shí)起，汽車(chē)工程師便一直在探索保護行人、駕駛者和乘客安全的方法。因此，汽車(chē)業(yè)在提高安全性方面取得了巨大進(jìn)步，從制動(dòng)防抱死和多個(gè)安全氣囊，以至后視攝像系統和先進(jìn)的導航系統。

如今，汽車(chē)業(yè)繼續受到來(lái)自政府、非政府組織以及消費者的壓力，以期制造行駛更安全的車(chē)輛。例如，美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)提出，明確規定駕駛員在倒車(chē)時(shí)必須能夠看見(jiàn)的車(chē)后方區域。預計在美國銷(xiāo)售的乘用車(chē)將會(huì )全部采用這一提議，以便大幅減少由倒車(chē)事故造成的災禍和傷亡，涉及兒童、殘疾人、老年人以及其它行人。

因此，基于攝像頭的視覺(jué)系統便成為實(shí)施這項提議的關(guān)鍵所在。美國國家公路交通安全管理局要求：2014年9月1日及其以后在美國制造的所有車(chē)輛必須帶有后視系統。這一要求推動(dòng)了攝像頭解決方案的生產(chǎn)量增長(cháng)，推動(dòng)業(yè)界開(kāi)發(fā)性能更高、分辨率更好的成像解決方案，并且推動(dòng)了下一代安全應用和安全系統的發(fā)展。

面向新興汽車(chē)市場(chǎng)的攝像頭

在汽車(chē)行業(yè)，攝像頭逐漸成為高級駕駛員輔助系統(ADDAS)的重要組成部分。這些攝像頭用于多種用途，例如：交通標志識別、用于停車(chē)距離控制(PDC)和車(chē)道偏離警示系統(LDW)的后視系統。如今，許多新型車(chē)輛集成有數個(gè)攝像頭，覆蓋了汽車(chē)周?chē)乃袇^域，因而能夠實(shí)現最優(yōu)化的安全系統。

在這些先進(jìn)的汽車(chē)攝像頭安全系統中，增強的成像和感測能力開(kāi)啟了一個(gè)無(wú)限可能的世界。攝像頭視覺(jué)系統采用遠視場(chǎng)來(lái)補足長(cháng)距離雷達，使用較寬視場(chǎng)來(lái)彌補短距雷達或超聲波傳感器的不足，使得駕駛員可以看到前后方的道路。因此，可提供另一組數據來(lái)確認所繪制的整體圖片的精確性。例如，來(lái)自雷達和攝像頭的支持數據能夠大大增強決策的信心，如使用剎車(chē)系統等等。

表1：汽車(chē)攝像頭的要求

汽車(chē)攝像頭安全系統內的圖像傳感器

自1969年電荷耦合器件(CCD)出現以來(lái)，其應用一直在增長(cháng)，擴展到數碼相機、望遠鏡、攝像機、掃描儀，以及其它成像應用領(lǐng)域。然而，CCD在汽車(chē)安全應用方面有其固有的不足之處。最明顯的是：CCD制造需要專(zhuān)門(mén)的工廠(chǎng)、設備及工藝，這給以低成本大批量生產(chǎn)汽車(chē)攝像頭帶來(lái)了困難。在汽車(chē)安全方面，CCD架構也有內在的局限性。標準CCD圖像傳感器經(jīng)設計以串行方式讀出數據，這意味著(zhù)必須在讀出所有的先前像素之后，才能讀出后面的像素。這限制了幀速或每秒讀取的圖像數目，在快速捕捉圖像為關(guān)鍵性功能的汽車(chē)安全應用中成為一種重要的缺陷。此外，大多數CCD攝像頭不具備表1突顯的必需的寬動(dòng)態(tài)范圍(WDR)功能。

互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器是替代的解決方案，它可在具有高成本效益的商業(yè)代工廠(chǎng)生產(chǎn)，使用與生產(chǎn)其它計算芯片相同的高量產(chǎn)工藝。CMOS圖像傳感器具有隨機訪(fǎng)問(wèn)讀取功能，這意味著(zhù)可對像素進(jìn)行隨機尋址，并可快速讀出子幀(sub-frame)，即感興趣的區域。因此，CMOS圖像傳感器克服了上述CCD傳感器的某些缺點(diǎn)，而且具有幾乎無(wú)限的子采樣和子窗口能力。CMOS攝像頭的一個(gè)附加優(yōu)勢是能夠滿(mǎn)足寬動(dòng)態(tài)范圍(WDR)和低光照性能要求，進(jìn)一步推動(dòng)CMOS圖像傳感器取代CCD傳感器而成為眾多成像市場(chǎng)(包括汽車(chē)市場(chǎng))的首選傳感器(見(jiàn)圖1)。實(shí)際上，CMOS汽車(chē)傳感器市場(chǎng)可望從2009年的不到1000萬(wàn)個(gè)增長(cháng)至2017年的5000萬(wàn)個(gè)以上(IMS 2009年汽車(chē)市場(chǎng)報告)。

在擁有攝像頭安全系統車(chē)輛內，使用圖像傳感器來(lái)完成場(chǎng)景觀(guān)察或場(chǎng)景處理。

圖1 汽車(chē)應用中的CMOS圖像傳感器

場(chǎng)景觀(guān)察

通常在視頻顯示器上輸出的場(chǎng)景觀(guān)察應用包括后視攝像頭、多攝像頭360度視野、輔助停車(chē)、替代后視鏡、夜視和后排乘客監視。在這些應用中，關(guān)鍵的圖像傳感器要求包括出色的低光照性能、WDR和低功耗工作，同時(shí)滿(mǎn)足汽車(chē)質(zhì)量標準要求，在大批量生產(chǎn)下具有低的單位成本。

Aptina imaging公司即是CMOS圖像傳感器供應商的典范，面向場(chǎng)景觀(guān)察應用提供全集成式成像解決方案。例如：專(zhuān)為汽車(chē)場(chǎng)景觀(guān)察系統而設計的VGA系統級芯片(MT9V128和MT9V129)，以及用于下一代視覺(jué)攝像頭的先進(jìn)百萬(wàn)像素(MT9M024)解決方案。

場(chǎng)景處理

在場(chǎng)景處理應用中，處理單元使用成像器的輸出來(lái)發(fā)送警報或做出有關(guān)車(chē)輛運行的決策，包括車(chē)道偏離警示、交通標志檢測、下雨檢測、前燈調暗和盲點(diǎn)檢測。

使用這些智能化安全系統，處理計算機接收來(lái)自傳感器的數據，做出決定，并向車(chē)輛子系統發(fā)送指令，以防止發(fā)生事故、減輕事故的嚴重程度或者保護車(chē)主。例如處理計算機可能使用來(lái)自圖像傳感器的數據，確定即將發(fā)生的碰撞，并向車(chē)輛子系統發(fā)出指令以采取剎車(chē)措施。

微處理器和圖像傳感器方面的技術(shù)進(jìn)步使得智能化安全系統成為現實(shí)。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步的速度加快，集成更多智能性的圖像傳感器將成為被動(dòng)和主動(dòng)型安全系統的組成部分。

圖2 多攝像頭360度/環(huán)繞視覺(jué)系統拓撲

汽車(chē)安全性的未來(lái)支持

新興的汽車(chē)攝像頭安全應用正在以驚人的速度增長(cháng)，這些應用的配售率一直在上升。地區性標準、交通狀況以及駕駛者偏好決定了可用的功能。例如在美國銷(xiāo)售的汽車(chē)具有后視攝像頭、車(chē)道偏離警示和360度環(huán)繞視覺(jué)功能，而歐洲的駕駛者除了360度環(huán)繞視覺(jué)攝像頭外，還能夠享有后視攝像頭、車(chē)道偏離警示、自動(dòng)遠光控制、夜視和交通標志識別功能，每輛車(chē)需要多達八個(gè)或者更多的攝像頭。

由于每輛車(chē)的功能和攝像頭數量都在增加，提供集成新功能和新接口的靈活性，對于圖像傳感器的制造商而言是十分重要的。無(wú)論是在攝像頭模塊內采用協(xié)同芯片方式，或者在電子控制單元(ECU)內，最好的辦法是使傳感器和圖像傳感器處理ISP功能分開(kāi)。

圖像傳感器制造廠(chǎng)商正在努力提高分辨率，從VGA到百萬(wàn)像素。更高的分辨率可以獲得更清晰的街角和邊緣。當然也要控制系統的功耗和成本，最大限度地降低攝像頭模塊的功耗，同時(shí)可以獲得最佳的圖像質(zhì)量。一種降低成本的方法是使用可用于場(chǎng)景觀(guān)察和場(chǎng)景處理兩種應用的傳感器。這就要求根據系統結構、接口和應用狀況，在主要針對顯示的場(chǎng)景觀(guān)察和發(fā)生在ECU中的場(chǎng)景處理之間復用傳感器的輸出。Aptina imaging公司開(kāi)發(fā)了解決這些難題的方法，通過(guò)提供能夠用于攝像頭模塊和ECU的百萬(wàn)像素傳感器以及協(xié)同芯片的解決方案，同時(shí)實(shí)現了更低的功耗和出色的靈活性。

結論

汽車(chē)業(yè)在生產(chǎn)行駛更安全的車(chē)輛方面繼續承受越來(lái)越大的壓力。如今，攝像頭視覺(jué)系統已成為開(kāi)發(fā)更先進(jìn)安全系統的關(guān)鍵。在這些系統中，CMOS圖像傳感器不僅能夠滿(mǎn)足WDR和低光照性能要求，還可提供對于價(jià)格敏感的汽車(chē)市場(chǎng)至關(guān)重要的規模經(jīng)濟效益，有助于該領(lǐng)域實(shí)現顯著(zhù)增長(cháng)。