低照度/動(dòng)態(tài)范圍辨識力大增　影像感測器提升汽車(chē)安全

　　根據J.D. Power and Associates的最新研究，38%的汽車(chē)購買(mǎi)者將新技術(shù)視為購買(mǎi)新汽車(chē)的決定關(guān)鍵。另一項由德勤管理顧問(wèn)公司（Deloitte Consulting LLP）在2014年1月所做的調查顯示，在1982至2002年出生，被稱(chēng)為Y世代的人，有61%的人計畫(huà)購買(mǎi)高科技汽車(chē)。德勤管理顧問(wèn)公司負責人 Masa Hasegawa表示，雖然Y世代可能不一定會(huì )細看馬力、加速時(shí)間或引擎大小等關(guān)鍵指標，但他們有著(zhù)清楚的需求、需要和渴望。此外，Y世代消費者還需要安全科技，尤其是能夠降低分心駕駛風(fēng)險的功能。

　　在最近幾年里，消費者越來(lái)越渴望先進(jìn)的汽車(chē)技術(shù)，這些渴望由科技應用的增加所引發(fā)，并且成為汽車(chē)的購買(mǎi)要素，這實(shí)際上鼓舞了汽車(chē)制造商在使用科技特性做為其在差異化方面的創(chuàng )新。

　　隨著(zhù)消費者轉向更好的人車(chē)互動(dòng)體驗和安全駕駛，市場(chǎng)需求要求他們采用與智慧手機相同的速度和創(chuàng )新來(lái)適應新技術(shù)，這對汽車(chē)制造商造成了很大壓力，但也可以為他們的汽車(chē)品牌創(chuàng )造差異化。消費者想要更好的車(chē)載體驗/互動(dòng)性，并期望使用者介面更加自然和直觀(guān)。

　　創(chuàng )新技術(shù)加持　汽車(chē)安全性升級

　　為實(shí)現更好的安全功能，消費者希望使用安全自動(dòng)化來(lái)幫助他們避免或減少任何潛在的事故。隨著(zhù)汽車(chē)制造商提供更多的車(chē)載互動(dòng)功能，他們還須要開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)保護分心的駕駛者。很多時(shí)候，事故的主要塬因就是駕駛者注意力分散、不專(zhuān)心，以及司機錯覺(jué)或誤判駕駛情況。

　　一般來(lái)說(shuō)，創(chuàng )新功能首先在高階汽車(chē)上成為選項推出，然后隨著(zhù)成本下降、認知度增加和需求成長(cháng)，最終大量用在主流汽車(chē)上。汽車(chē)技術(shù)創(chuàng )新的核心在于安全性，雖然某些創(chuàng )新只是為了方便而已。

　　今天，許多主動(dòng)式安全系統涵蓋了廣泛的多學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)，例如行人檢測攝影機、距離測定雷達、路徑規畫(huà)和車(chē)對車(chē)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)際網(wǎng)路通訊。這里討論一些目前汽車(chē)市場(chǎng)正在考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

　?。曈X(jué)感測技術(shù)

　　在轉向與倒車(chē)時(shí)提供查看車(chē)后的后視攝影機系統現已成為主流。到2018年，美國擬強制要求汽車(chē)制造商在每一輛新車(chē)內安裝后視攝影機，因應這項法規，制造商早在2014年開(kāi)始推出配備后視攝影機系統的新汽車(chē)。

　　目前的新趨勢是環(huán)視攝影機系統，采用四到五個(gè)廣角攝影機，安裝在汽車(chē)的前后方和兩側，提供360度鳥(niǎo)瞰視圖或前/后拆分視圖，而一些更先進(jìn)的系統甚至可以提供盲點(diǎn)檢測和停車(chē)輔助。

　　早在2005年，夜視攝影機就已經(jīng)配置在奔馳S系列汽車(chē)中?，F在，E系列汽車(chē)也提供這項技術(shù)。通常，夜視攝影機使用長(cháng)距離發(fā)光二極體（LED）燈，使汽車(chē)前方的距離看的更遠。當前的夜視攝影機還增加了行人檢測，當行人或物體靠近車(chē)輛時(shí)，以監視器或汽車(chē)擋風(fēng)玻璃上的抬頭顯示器（Heads-up Display）給駕駛者提供警告資訊。

　　自動(dòng)遠光車(chē)前燈（High-beam）控制是一項新的技術(shù)，使駕駛者能夠更好地看清道路彎道周?chē)?。根據公路損失資料協(xié)會(huì )（Highway Loss Data Institute）的調查，使用自動(dòng)調節車(chē)前大燈（Adaptive Headlights）后，財產(chǎn)損失責任保險的索賠下降了10%。為實(shí)現自動(dòng)調節車(chē)前大燈，攝影機被安裝在后視鏡上，當汽車(chē)接近迎面而來(lái)的車(chē)輛，以及汽車(chē)在同一方向行駛中超車(chē)時(shí)進(jìn)行檢測，并關(guān)掉遠光燈。它可以在近光和遠光間切換，但會(huì )根據迎面車(chē)輛的接近距離而逐漸增大或降低燈光分布。此外，它還可在急轉彎時(shí)對遠光燈進(jìn)行調暗，在完成轉彎后，假如沒(méi)有迎面車(chē)輛駛近時(shí)，重新啟用遠光車(chē)前燈。

　　其他創(chuàng )新的車(chē)輛安全特性包括自我調整導航控制、車(chē)體前部碰撞警報系統、自動(dòng)緊急制動(dòng)；行人檢測和車(chē)道偏離報警也越來(lái)越普及。這些特性使用攝影機或者攝影機加雷達/雷射雷達來(lái)監測道路以及危險狀況，甚至有時(shí)輔助駕駛者來(lái)自動(dòng)煞車(chē)，從而避免撞車(chē)。因此，自動(dòng)緊急煞車(chē)（Autonomous Emergency Braking， AEB）系統在新汽車(chē)中日益普及。

　　駕駛者監控是汽車(chē)技術(shù)中的最新應用，可不斷評估駕駛者適合駕駛的能力。駕駛者監控系統，使用攝影機來(lái)檢測瞌睡的駕駛者，當認為駕駛者疲勞或不清醒時(shí)便發(fā)出視覺(jué)或聲音警告。駕駛者監控系統須要考慮的其他因素還包括車(chē)速、道路狀況、加速和減速模式。

　　在不久的將來(lái)即可應用到車(chē)輛上且建基于視覺(jué)的技術(shù)，包括了用于人車(chē)（Human-car）介面的手勢識別、后視鏡/側視鏡替代方案，以及安全氣囊配置。在手勢控制中，駕駛者可以與資訊娛樂(lè )中心或控制臺相連接，毋須觸摸任何按鈕或顯示器。這些功能是非常有用的，利用抬頭顯示器將部分儀錶盤(pán)投射到駕駛者前方的擋風(fēng)玻璃上。在后視鏡/側視鏡替代方案方面，可使用攝影機在汽車(chē)顯示器上即時(shí)顯示后方/側方的狀況。至于安全氣囊配置，攝影機可以檢測方向盤(pán)后駕駛者的準確位置，萬(wàn)一發(fā)生碰撞，安全氣囊可以精確配置來(lái)保護駕駛者的要害部位。這些新功能的一個(gè)實(shí)際例子就是雪佛蘭（Chevrolet）的2015款 Corvette，其帶有用于性能資料記錄儀的攝影機，按照駕駛者的視角安裝在頂蓬裝飾中，并將資料記錄在SD卡，通過(guò)遙測硬體和軟體來(lái)測量速度、制動(dòng)G力（G-force）。

　?。走_感測技術(shù)

　　由于成本下降，越來(lái)越多雷達系統被用于汽車(chē)應用中，尤其在短程和遠端檢測和識別中更為明顯。遠端雷達系統通常安裝在汽車(chē)的前部，用于前視應用，比如自我調整導航控制、制動(dòng)輔助和碰撞警報。奧迪（Audi）的Pre Sense Front Plus是遠端雷達系統實(shí)例，設計用于幫助避免或減少碰撞前方車(chē)輛后部的事故，無(wú)論前方車(chē)輛是移動(dòng)中還是靜止的。短程雷達系統包括盲點(diǎn)檢測、側碰警報、兩側來(lái)車(chē)警告系統（Cross-traffic Alert）和車(chē)道變換支援?？巳R斯勒（Chrysler）的Cross Path Detection System包括外側視鏡中的視覺(jué)指示器。福特（Ford）的系統稱(chēng)為Cross Traffic Alert，是外側視鏡報警指示器。

　　近期的技術(shù)發(fā)展推動(dòng)是將無(wú)線(xiàn)連接增加到車(chē)輛中。這種設計的優(yōu)勢之一是采用無(wú)線(xiàn)區域網(wǎng)路（Wi-Fi）和全球衛星定位系統（GPS）訊號組合，車(chē)輛可以與其他車(chē)輛（V2V）或道路基礎設施（V2I）進(jìn)行通訊。

　　這方面的實(shí)例就是在一列車(chē)輛中，當前面一部汽車(chē)開(kāi)始煞車(chē)，后面的所有車(chē)輛都接收到訊號并相應地修改速度和距離。在車(chē)輛對基礎設施通訊實(shí)例中，汽車(chē)可以變成一個(gè)熱點(diǎn)，并用無(wú)線(xiàn)電接收任何建基于位置的服務(wù)資訊。聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)還可以與自動(dòng)駕駛聯(lián)合工作。美國國家公路交通安全管理局（National Highway Transportation Safety Administration， NHTSA）最近宣布，鑑于美國聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛具有「極佳的安全效益」，他們正提議在10年內強制在新汽車(chē)中使用某些技術(shù)。該公告給制造商發(fā)出訊息，那就是車(chē)聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛代表了汽車(chē)安全的下一階段發(fā)展趨勢。

　　ADAS應用熱潮驅動(dòng)　影像感測技術(shù)受矚目

　　到目前為止，本文已經(jīng)探討了許多新的汽車(chē)技術(shù)。在所有這些技術(shù)中，以影像為基礎的系統是最突出的。隨著(zhù)攝影機成本下降、攝像感測器的性能提升和智慧視覺(jué)演算法的發(fā)展，在不久將來(lái)，至少八到十個(gè)攝影機將在后視/環(huán)視和夜視攝影機、先進(jìn)駕駛輔助系統（ADAS）、視鏡替代和行車(chē)記錄儀、駕駛/車(chē)輛介面等應用中使用。不久將來(lái)，正如手機一樣，由于攝影機可提供的安全性和便利，當消費者決定購買(mǎi)汽車(chē)時(shí)，攝影機將成為汽車(chē)的關(guān)鍵差異化因素。根據產(chǎn)業(yè)的調查研究，到 2020年攝影機出貨量將上升到超過(guò)二億部。汽車(chē)攝影機應用的關(guān)鍵成長(cháng)因素將會(huì )是ADAS，2014年歐洲NCAP開(kāi)始推動(dòng)這項安全要求，而從2018年開(kāi)始，美國將強制實(shí)施后視（Review-view）攝影機。另外，環(huán)視攝影機應用和停車(chē)輔助也將在這段預測期間快速成長(cháng)。

　　與手機用攝影機不同，汽車(chē)用攝影機的要求更嚴格，尤其在低照度下的性能、動(dòng)態(tài)范圍、近紅外線(xiàn)（NIR）敏感性、在攝氏-40到+105℃寬溫度范圍下的圖像品質(zhì)、長(cháng)期可靠性、圖像資料完整性和穩健性等方面。另外，所有出貨給汽車(chē)應用的圖像感測器都要求符合AEC-Q100以及在ISO/TS 16949認證的設施中生產(chǎn)。如果在廣泛的品質(zhì)/可靠度性能方面沒(méi)有大量的研發(fā)和投入，就很難為汽車(chē)視像系統設計和制造圖像感測器。隨著(zhù)安全應用中智慧設計的增加，例如ADAS，圖像感測器的性能也須要相應地提高。以下是在圖像感測器技術(shù)方面的某些關(guān)鍵進(jìn)展，可滿(mǎn)足當前和未來(lái)汽車(chē)視像系統的需求。圖1說(shuō)明了圖像品質(zhì)的重要性。

　　圖1　圖像品質(zhì)的重要性

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　　對于汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)，低照度下的性能非常重要。例如，在后視攝影機中，有時(shí)僅有的光源來(lái)自汽車(chē)的倒車(chē)燈。為了看到21公尺長(cháng)（70英尺）和6公尺寬（20英尺）的汽車(chē)后部區域，須要安裝具有非常好圖像感測器的攝影機，以便在低于1勒克斯（Lux）的環(huán)境中進(jìn)行查看。為創(chuàng )建此類(lèi)低感光感測器，DR-PIX技術(shù)利用了動(dòng)態(tài)響應像素，在一個(gè)像素的設計中結合了兩種工作模式：低轉換增益模式和高轉換增益模式。低轉換增益模式用于明亮場(chǎng)景中的大電荷處理能力；而高轉換增益模式則用于低光場(chǎng)景中增加感光度并降低讀取雜訊。這樣，在所有照明條件下，感測器都提供了所具有的最佳雜訊性能。

　?。畡?dòng)態(tài)范圍

　　在實(shí)際駕駛情況下，常常會(huì )遭遇很有挑戰性的高反差背光條件。如果有太亮的光，部分圖像可能發(fā)白或出現斑點(diǎn)。

　　更糟的是，如果場(chǎng)景既有非常明亮的區域，也有非常暗的區域，普通攝影機將很難準確地捕捉整個(gè)場(chǎng)景，這樣的極端情況須要攝影機在超過(guò)100dB的動(dòng)態(tài)范圍內工作。

　　如果沒(méi)有高動(dòng)態(tài)范圍（HDR），交通標誌識別、物體檢測等ADAS應用中的準確性將會(huì )變差。為實(shí)現HDR攝影機，圖像感測器需要特殊的曝光技術(shù)來(lái)增強動(dòng)態(tài)范圍，以便捕捉非常亮和非常暗的部分場(chǎng)景。靈敏的HDR汽車(chē)成像儀（Imager），能夠在明顯不同的照明條件下工作，而這正是汽車(chē)攝影機應用的一個(gè)關(guān)鍵特性。

　?。甆IR敏感性

　　駕駛者監控、手勢控制和夜視等新興應用需要非常高的近紅外光敏感性，因為此類(lèi)應用需要850至940nm的近紅外線(xiàn)光譜儀來(lái)照亮場(chǎng)景或實(shí)現3D感測工作。近紅外線(xiàn)光譜儀是一種結構光模式，非常靈敏的NIR成像儀可以感測此類(lèi)資訊，并傳送微點(diǎn)（Micro Dots）資訊來(lái)進(jìn)行編譯處理。普通的感測器通常無(wú)法獲取任何940nm的NIR光，但藉著(zhù)特殊設計和制程技術(shù)，已有公司開(kāi)發(fā)出NIR感測器，能夠在非常極端的范圍內吸收NIR光。

　　無(wú)人駕駛將掀起汽車(chē)產(chǎn)業(yè)革命

　　隨著(zhù)ADAS和后視/環(huán)視攝影機的發(fā)展，汽車(chē)正變得越來(lái)越智慧和越來(lái)越安全?；パa式金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器的性能，將成為準確捕捉不同環(huán)境條件下場(chǎng)景的關(guān)鍵因素。如果無(wú)法正確地捕捉場(chǎng)景資訊，系統下游的其余部分可能影響資料的準確性，因而導致錯誤的決定。在系統采集和處理之初，建基于視覺(jué)解決方案的CMOS圖像感測器提供準確的資料做為開(kāi)始是極其重要的。隨著(zhù)ADAS系統變得更先進(jìn)，它將為朝向自動(dòng)駕駛（Autonomous Vehicles）趨勢發(fā)展做好準備。借助結合V2V和V2I的連接，自動(dòng)駕駛是汽車(chē)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的下一件大事。

　　試想像世界上很少發(fā)生車(chē)禍、只有少許的交通堵塞和與駕駛相關(guān)的壓力，而自動(dòng)駕駛正為未來(lái)駕駛帶來(lái)這樣的一個(gè)發(fā)展愿景。谷歌（Google）是倡導無(wú)人駕駛汽車(chē)的著(zhù)名企業(yè)之一，包括日產(chǎn)（Nissan）、沃爾沃（Volvo）、奧迪、寶馬（BMW）、凱迪拉克（Cadillac）、福特、通用汽車(chē)（GM）、奔馳（Mercedes-Benz）、豐田（Toyota）和大眾（Volkswagen）等眾多汽車(chē)制造商，也已開(kāi)始測試無(wú)人駕駛汽車(chē)。

　　許多產(chǎn)業(yè)專(zhuān)家預測，自動(dòng)駕駛將從2025年開(kāi)始在大眾市場(chǎng)應用中成為現實(shí)。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）正在考慮設置自動(dòng)駕駛專(zhuān)用車(chē)道，自動(dòng)駕駛將成為未來(lái)歲月里的顛覆性技術(shù)。有許多討論是關(guān)于如何加快自動(dòng)駕駛技術(shù)的大量應用，奠基于CMOS圖像感測器的視覺(jué)系統將成為實(shí)現此一目標的關(guān)鍵因素。政府和汽車(chē)制造商正在為未來(lái)無(wú)駕駛者汽車(chē)應用而努力推動(dòng)基礎設施的建設，自動(dòng)駕駛汽車(chē)將會(huì )成為汽車(chē)誕生以來(lái)最偉大的交通業(yè)發(fā)展進(jìn)步。