高動(dòng)態(tài)范圍CMOS圖像傳感器在汽車視覺(jué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1. 簡(jiǎn)介

隨著汽車安全重要性的凸顯，行車輔助系統(tǒng)（Driving Assistance System，DAS）在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在這類應(yīng)用中，圖視覺(jué)系統(tǒng)是必不可少的一個(gè)組成部分，其必須快速、精確地感知各種路況，進(jìn)而提前預(yù)警或控制車輛行為。這要求系統(tǒng)的前端----攝像頭能夠最大限度地適應(yīng)不同的光照條件，提供路況場(chǎng)景的細(xì)節(jié)信息。

圖1顯示了汽車視覺(jué)系統(tǒng)的主要應(yīng)用，包括前視、后視、側(cè)視、內(nèi)視等。以前視為例，夜視（Night Vision，NV）、車道偏離預(yù)警（Lane Departure Warning，LDW）、碰撞預(yù)警（Collision Warning，CW）、交通標(biāo)志識(shí)別（Traffic Sign Recognition，TSR）等應(yīng)用要求視覺(jué)系統(tǒng)在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識(shí)別車道線、車輛、障礙物、交通標(biāo)志等。所有這些功能要求圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range，DR）足夠高，為后級(jí)圖像處理系統(tǒng)提供豐富的細(xì)節(jié)信息。

本文主要討論圖像傳感器在汽車視覺(jué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。第二部分介紹汽車視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像傳感器性能的要求，第三部分討論高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器技術(shù)。第四部分對(duì)本文作一個(gè)總結(jié)。

2. 汽車視覺(jué)系統(tǒng)中的圖像傳感器

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的器件，是攝像頭的重要組成部分，如圖2所示。在典型汽車應(yīng)用中，視覺(jué)系統(tǒng)要處理一些復(fù)雜的路面情況，比如來(lái)面向陽(yáng)光行車、進(jìn)出隧道、以及夜間會(huì)車時(shí)對(duì)面車輛前照燈等。這類路況要求攝像頭，以及其中的圖像傳感器能夠自動(dòng)適應(yīng)這類復(fù)雜場(chǎng)景，否則圖像中細(xì)節(jié)信息的損失很難通過(guò)后級(jí)信號(hào)處理方法來(lái)恢復(fù)。

一幅畫(huà)面中，最亮部分和最暗部分亮度的比值被稱作動(dòng)態(tài)范圍，比如，陽(yáng)光直射下某亮色物體亮度大約是100kcd/ m2，陰影下的暗色物體亮度大約是100mcd/ m2。某場(chǎng)景若同時(shí)包括這兩種物體，則圖像的動(dòng)態(tài)范圍是120dB。只有圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍高于120dB，汽車視覺(jué)系統(tǒng)才能有效地對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行圖像采集。

考慮到夜間行車，有些道路沒(méi)有路燈或者路燈很暗，汽車視覺(jué)系統(tǒng)也需要在低光照?qǐng)鼍跋虏杉窙r信息。針對(duì)汽車應(yīng)用，圖像傳感器需要滿足一系列汽車級(jí)要求，如寬溫度范圍、高可靠性、高集成度、低成本等。表1總結(jié)了汽車視覺(jué)系統(tǒng)中圖像傳感器應(yīng)該具有的性能：