汽車(chē)機器視覺(jué)應用的寬動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)

　　只有采用了Autobrite 技術(shù)的照相機才能使圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍與場(chǎng)景和應用相匹配。具備Autobrite 功能的照相機提供了出眾的寬動(dòng)態(tài)范圍性能，可用于在駕駛者輔助系統中捕獲完整而準確的視覺(jué)信息。

　　傳感器以最高的保真度來(lái)捕獲一幅圖像的黑暗和明亮部分的能力即為其動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍越高，則從被掃描物體進(jìn)行的光學(xué)圖像變換的保真度就越高。

　　為什么WDR(寬動(dòng)態(tài)范圍)很重要？DR(動(dòng)態(tài)范圍)是如何定義的？動(dòng)態(tài)范圍被定義為導致像素飽和的最大照度與成像器的噪聲層相除所得的商。高于飽和電平的信息將會(huì )丟失，而任何比噪聲層更暗的信息都將無(wú)法與噪聲區分開(kāi)來(lái)。對該比值取對數再乘以20將給出以db(分貝)為單位的動(dòng)態(tài)范圍。


 圖1  捕獲圖像實(shí)例，左圖未采用Autobrite，右圖采用了Autobrite

　　用于實(shí)現寬動(dòng)態(tài)范圍的Autobrite解決方案

　　Autobrite是賽普拉斯(Cypress)推出的一款完整解決方案，它滿(mǎn)足了寬動(dòng)態(tài)范圍照相機的所有標準。Autobrite采用了組合技術(shù)(以擴展動(dòng)態(tài)范圍)和一個(gè)簡(jiǎn)單的標準3T CMOS像素(以提供可靠性和成本效益性)。無(wú)需額外的幀緩沖器。

　　Autobrite基于麻省理工學(xué)院的研究成果，它是利用賽普拉斯專(zhuān)有的可變高度/多重復位法來(lái)控制像素的。一個(gè)完整的反饋環(huán)路同時(shí)控制著(zhù)積分時(shí)間和動(dòng)態(tài)范圍擴展，以實(shí)現完全的自適應性和可編程性。

　　Autobrite的優(yōu)點(diǎn)

　　圖1并列比較了在采用和未采用Autobrite技術(shù)的情況下所捕獲的圖像。在左側的圖像中，場(chǎng)景內動(dòng)態(tài)范圍明顯超過(guò)了照相機的動(dòng)態(tài)范圍，從而導致在明亮和黑暗區域中出現“限幅”或細節丟失。而在右側的圖像中，Autobrite則可使同一幅場(chǎng)景的完整視覺(jué)細節都被捕獲到，即使在極亮和極暗的區域中也不例外。

　　Autobrite在汽車(chē)中的應用

　　汽車(chē)行業(yè)中的機器視覺(jué)應用面臨著(zhù)關(guān)鍵的成像技術(shù)難題。駕駛者輔助系統必須快速而準確地對來(lái)自非可控環(huán)境的視覺(jué)細節進(jìn)行處理并做出響應。這種能力倚仗的是從一部能夠適應寬照度級變化范圍的照相機來(lái)獲得完整且準確的視頻信息。

　　一幅場(chǎng)景中的最高光強度與最低光強度之比被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)范圍”。諸如逐漸迫近的前燈照射光、來(lái)自其它車(chē)輛的眩光、隧道入口和出口以及日出或日落等條件會(huì )在一幅場(chǎng)景的內部產(chǎn)生照度的極端變化。如果照相機的動(dòng)態(tài)范圍寬度不足以提供一幅場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍，則最終形成的圖像將無(wú)法捕獲汽車(chē)機器視覺(jué)系統所要求的細節信息。這些細節信息是不可能通過(guò)后處理來(lái)恢復的。

　　圖2羅列了面向機器視覺(jué)的典型汽車(chē)成像應用。在所有這些應用中，寬動(dòng)態(tài)范圍對于捕獲所有可用細節(以便由駕駛者輔助系統來(lái)執行更多的電子處理)而言是必不可少的。例如，一個(gè)盲點(diǎn)監視系統負責比較視頻幀，并在有車(chē)輛逐漸進(jìn)入被監視區域時(shí)向駕駛者發(fā)出提示信號。為了探測移動(dòng)車(chē)輛(但忽略諸如路障等固定物品)，處理器必須在陽(yáng)光和黑暗中從照相機接收準確而完整的數字信息。

　　在諸如盲點(diǎn)監視或車(chē)道偏離警示等應用中，右側圖像中所提供的信息是至關(guān)緊要的。只有右圖為機器視覺(jué)系統提供了分析并通知駕駛者有關(guān)安全車(chē)道變更狀態(tài)的足夠細節。使用左側圖像的汽車(chē)機器視覺(jué)系統發(fā)生差錯的概率要高一些。


 圖2  駕駛輔助系統中機器視覺(jué)的應用


圖3  實(shí)際汽車(chē)輔助照明圖像實(shí)例，未采用(左圖)和采用Autobrite(右圖)技術(shù)的對比

　　車(chē)道偏離警示

　　車(chē)道偏離警示系統必須在各種照明和天氣條件下辨別道路上的行車(chē)路線(xiàn)標記，以在車(chē)輛駛出其車(chē)道時(shí)向駕駛者發(fā)出警示信號。Autobrite的寬動(dòng)態(tài)范圍可使照相機捕獲到關(guān)鍵的視覺(jué)信息，從而即便是在非常復雜的場(chǎng)合(比如：在一條黑暗的隧道中，并有來(lái)自前方隧道出口的眩光)也能夠探測到行車(chē)道標記。

　　在上述的隧道場(chǎng)合中，照相機必須在駕駛者驅車(chē)駛出隧道而進(jìn)入明亮的陽(yáng)光照射環(huán)境時(shí)迅速地針對照明條件的變化進(jìn)行調節。Autobrite可根據新的場(chǎng)景對響應曲線(xiàn)做出適應性的調整，從而令照相機能夠繼續捕獲與道路上的行車(chē)路線(xiàn)標記有關(guān)的重要信息。同樣，Autobrite還將針對照明條件的日夜變化自動(dòng)地進(jìn)行相應的調整。

　　駕駛者疲勞監視

　　在有些情況下，動(dòng)態(tài)范圍過(guò)大可能是有害的。如果一幅場(chǎng)景需要一個(gè)窄照明范圍內的精確細節，則動(dòng)態(tài)范圍過(guò)于寬廣的傳感器將捕獲極端照明條件下的多余信息，而關(guān)鍵照明范圍內的捕獲信息卻不足。

　　例如，負責跟蹤駕駛者眼球運動(dòng)的駕駛者疲勞監視系統可以采用一個(gè)頻閃閃光燈來(lái)對目標進(jìn)行照明。在該場(chǎng)合中，動(dòng)態(tài)范圍不太重要，關(guān)鍵的是高對比度?？蓪utobrite的設定值進(jìn)行優(yōu)化，以限制動(dòng)態(tài)范圍，并提供最大的對比度。

　　圖3示出了Autobrite用于后備輔助相機的出眾的寬動(dòng)態(tài)范圍性能。在采用傳統相機捕獲的圖像(左側)中，由于相機自動(dòng)調節曝光量以捕獲明亮區域中的細節，因此陰影會(huì )使位于車(chē)輛后方的物體變得模糊不清。在右側的圖像中，Autobrite能夠同時(shí)捕獲明亮和黑暗區域中的細節，并清晰地顯示位于汽車(chē)行進(jìn)路線(xiàn)上的障礙物。

　　結語(yǔ)

　　Autobrite克服了汽車(chē)應用中機器視覺(jué)動(dòng)態(tài)范圍的局限性。Autobrite的自適應性和可編程性確保其即使在最復雜的照明條件下也能夠捕獲完整而準確的視覺(jué)細節信息。