汽車安全系統(tǒng)中的攝像頭技術(shù)

在上世紀(jì)60年代，汽車業(yè)將注意力轉(zhuǎn)向?qū)ふ夷軌虮ＷC駕駛者和乘客安全的創(chuàng)新方法。結(jié)果如何呢？出現(xiàn)了緩沖方向盤和儀表板、座椅安全帶，以及其后的安全氣囊和電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。自那時(shí)起，汽車工程師便一直在探索保護(hù)行人、駕駛者和乘客安全的方法。因此，汽車業(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(tǒng)和先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)。

如今，汽車業(yè)繼續(xù)受到來自政府、非政府組織以及消費(fèi)者的壓力，以期制造行駛更安全的車輛。例如，美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)提出，明確規(guī)定駕駛員在倒車時(shí)必須能夠看見的車后方區(qū)域。預(yù)計(jì)在美國(guó)銷售的乘用車將會(huì)全部采用這一提議，以便大幅減少由倒車事故造成的災(zāi)禍和傷亡，涉及兒童、殘疾人、老年人以及其它行人。

因此，基于攝像頭的視覺系統(tǒng)便成為實(shí)施這項(xiàng)提議的關(guān)鍵所在。美國(guó)國(guó)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(guó)制造的所有車輛必須帶有后視系統(tǒng)。這一要求推動(dòng)了攝像頭解決方案的生產(chǎn)量增長(zhǎng)，推動(dòng)業(yè)界開發(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(yīng)用和安全系統(tǒng)的發(fā)展。

面向新興汽車市場(chǎng)的攝像頭

在汽車行業(yè)，攝像頭逐漸成為高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADDAS)的重要組成部分。這些攝像頭用于多種用途，例如：交通標(biāo)志識(shí)別、用于停車距離控制(PDC)和車道偏離警示系統(tǒng)(LDW)的后視系統(tǒng)。如今，許多新型車輛集成有數(shù)個(gè)攝像頭，覆蓋了汽車周圍的所有區(qū)域，因而能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的安全系統(tǒng)。

在這些先進(jìn)的汽車攝像頭安全系統(tǒng)中，增強(qiáng)的成像和感測(cè)能力開啟了一個(gè)無限可能的世界。攝像頭視覺系統(tǒng)采用遠(yuǎn)視場(chǎng)來補(bǔ)足長(zhǎng)距離雷達(dá)，使用較寬視場(chǎng)來彌補(bǔ)短距雷達(dá)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(shù)據(jù)來確認(rèn)所繪制的整體圖片的精確性。例如，來自雷達(dá)和攝像頭的支持?jǐn)?shù)據(jù)能夠大大增強(qiáng)決策的信心，如使用剎車系統(tǒng)等等。

表1：汽車攝像頭的要求

汽車攝像頭安全系統(tǒng)內(nèi)的圖像傳感器

自1969年電荷耦合器件(CCD)出現(xiàn)以來，其應(yīng)用一直在增長(zhǎng)，擴(kuò)展到數(shù)碼相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、攝像機(jī)、掃描儀，以及其它成像應(yīng)用領(lǐng)域。然而，CCD在汽車安全應(yīng)用方面有其固有的不足之處。最明顯的是：CCD制造需要專門的工廠、設(shè)備及工藝，這給以低成本大批量生產(chǎn)汽車攝像頭帶來了困難。在汽車安全方面，CCD架構(gòu)也有內(nèi)在的局限性。標(biāo)準(zhǔn)CCD圖像傳感器經(jīng)設(shè)計(jì)以串行方式讀出數(shù)據(jù)，這意味著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(shù)目，在快速捕捉圖像為關(guān)鍵性功能的汽車安全應(yīng)用中成為一種重要的缺陷。此外，大多數(shù)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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)代工廠生產(chǎn)，使用與生產(chǎn)其它計(jì)算芯片相同的高量產(chǎn)工藝。CMOS圖像傳感器具有隨機(jī)訪問讀取功能，這意味著可對(duì)像素進(jìn)行隨機(jī)尋址，并可快速讀出子幀(sub-frame)，即感興趣的區(qū)域。因此，CMOS圖像傳感器克服了上述CCD傳感器的某些缺點(diǎn)，而且具有幾乎無限的子采樣和子窗口能力。CMOS攝像頭的一個(gè)附加優(yōu)勢(shì)是能夠滿足寬動(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)(包括汽車市場(chǎng))的首選傳感器(見圖1)。實(shí)際上，CMOS汽車傳感器市場(chǎng)可望從2009年的不到1000萬個(gè)增長(zhǎng)至2017年的5000萬個(gè)以上(IMS 2009年汽車市場(chǎng)報(bào)告)。

在擁有攝像頭安全系統(tǒng)車輛內(nèi)，使用圖像傳感器來完成場(chǎng)景觀察或場(chǎng)景處理。

圖1 汽車應(yīng)用中的CMOS圖像傳感器

場(chǎng)景觀察

通常在視頻顯示器上輸出的場(chǎng)景觀察應(yīng)用包括后視攝像頭、多攝像頭360度視野、輔助停車、替代后視鏡、夜視和后排乘客監(jiān)視。在這些應(yīng)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)滿足汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)商的典范，面向場(chǎng)景觀察應(yīng)用提供全集成式成像解決方案。例如：專為汽車場(chǎng)景觀察系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的VGA系統(tǒng)級(jí)芯片(MT9V128和MT9V129)，以及用于下一代視覺攝像頭的先進(jìn)百萬像素(MT9M024)解決方案。

場(chǎng)景處理

在場(chǎng)景處理應(yīng)用中，處理單元使用成像器的輸出來發(fā)送警報(bào)或做出有關(guān)車輛運(yùn)行的決策，包括車道偏離警示、交通標(biāo)志檢測(cè)、下雨檢測(cè)、前燈調(diào)暗和盲點(diǎn)檢測(cè)。

使用這些智能化安全系統(tǒng)，處理計(jì)算機(jī)接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，做出決定，并向車輛子系統(tǒng)發(fā)送指令，以防止發(fā)生事故、減輕事故的嚴(yán)重程度或者保護(hù)車主。例如處理計(jì)算機(jī)可能使用來自圖像傳感器的數(shù)據(jù)，確定即將發(fā)生的碰撞，并向車輛子系統(tǒng)發(fā)出指令以采取剎車措施。

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(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。隨著技術(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(tǒng)的組成部分。

圖2 多攝像頭360度/環(huán)繞視覺系統(tǒng)拓?fù)?/p>

汽車安全性的未來支持

新興的汽車攝像頭安全應(yīng)用正在以驚人的速度增長(zhǎng)，這些應(yīng)用的配售率一直在上升。地區(qū)性標(biāo)準(zhǔn)、交通狀況以及駕駛者偏好決定了可用的功能。例如在美國(guó)銷售的汽車具有后視攝像頭、車道偏離警示和360度環(huán)繞視覺功能，而歐洲的駕駛者除了360度環(huán)繞視覺攝像頭外，還能夠享有后視攝像頭、車道偏離警示、自動(dòng)遠(yuǎn)光控制、夜視和交通標(biāo)志識(shí)別功能，每輛車需要多達(dá)八個(gè)或者更多的攝像頭。

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

圖像傳感器制造廠商正在努力提高分辨率，從VGA到百萬像素。更高的分辨率可以獲得更清晰的街角和邊緣。當(dāng)然也要控制系統(tǒng)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)景觀察和場(chǎng)景處理兩種應(yīng)用的傳感器。這就要求根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口和應(yīng)用狀況，在主要針對(duì)顯示的場(chǎng)景觀察和發(fā)生在ECU中的場(chǎng)景處理之間復(fù)用傳感器的輸出。Aptina imaging公司開發(fā)了解決這些難題的方法，通過提供能夠用于攝像頭模塊和ECU的百萬像素傳感器以及協(xié)同芯片的解決方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更低的功耗和出色的靈活性。

結(jié)論

汽車業(yè)在生產(chǎn)行駛更安全的車輛方面繼續(xù)承受越來越大的壓力。如今，攝像頭視覺系統(tǒng)已成為開發(fā)更先進(jìn)安全系統(tǒng)的關(guān)鍵。在這些系統(tǒng)中，CMOS圖像傳感器不僅能夠滿足WDR和低光照性能要求，還可提供對(duì)于價(jià)格敏感的汽車市場(chǎng)至關(guān)重要的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，有助于該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顯著增長(zhǎng)。