影像感測(cè)器提升汽車安全

根據(jù)J.D. Power and Associates的最新研究，38%的汽車購買者將新技術(shù)視為購買新汽車的決定關(guān)鍵。另一項(xiàng)由德勤管理顧問公司(Deloitte Consulting LLP)在2014年1月所做的調(diào)查顯示，在1982至2002年出生，被稱為Y世代的人，有61%的人計(jì)畫購買高科技汽車。德勤管理顧問公司負(fù)責(zé)人 Masa Hasegawa表示，雖然Y世代可能不一定會(huì)細(xì)看馬力、加速時(shí)間或引擎大小等關(guān)鍵指標(biāo)，但他們有著清楚的需求、需要和渴望。此外，Y世代消費(fèi)者還需要安全科技，尤其是能夠降低分心駕駛風(fēng)險(xiǎn)的功能。

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

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

創(chuàng)新技術(shù)加持　汽車安全性升級(jí)

為實(shí)現(xiàn)更好的安全功能，消費(fèi)者希望使用安全自動(dòng)化來幫助他們避免或減少任何潛在的事故。隨著汽車制造商提供更多的車載互動(dòng)功能，他們還須要開發(fā)技術(shù)來保護(hù)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、不專心，以及司機(jī)錯(cuò)覺或誤判駕駛情況。

一般來說，創(chuàng)新功能首先在高階汽車上成為選項(xiàng)推出，然后隨著成本下降、認(rèn)知度增加和需求成長，最終大量用在主流汽車上。汽車技術(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(tǒng)涵蓋了廣泛的多學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)，例如行人檢測(cè)攝影機(jī)、距離測(cè)定雷達(dá)、路徑規(guī)畫和車對(duì)車無線網(wǎng)際網(wǎng)路通訊。這里討論一些目前汽車市場(chǎng)正在考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

.視覺感測(cè)技術(shù)

在轉(zhuǎn)向與倒車時(shí)提供查看車后的后視攝影機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)已成為主流。到2018年，美國擬強(qiáng)制要求汽車制造商在每一輛新車內(nèi)安裝后視攝影機(jī)，因應(yīng)這項(xiàng)法規(guī)，制造商早在2014年開始推出配備后視攝影機(jī)系統(tǒng)的新汽車。

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

早在2005年，夜視攝影機(jī)就已經(jīng)配置在奔馳S系列汽車中?，F(xiàn)在，E系列汽車也提供這項(xiàng)技術(shù)。通常，夜視攝影機(jī)使用長距離發(fā)光二極體(LED)燈，使汽車前方的距離看的更遠(yuǎn)。當(dāng)前的夜視攝影機(jī)還增加了行人檢測(cè)，當(dāng)行人或物體靠近車輛時(shí)，以監(jiān)視器或汽車擋風(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(yuǎn)光車前燈(High-beam)控制是一項(xiàng)新的技術(shù)，使駕駛者能夠更好地看清道路彎道周圍。根據(jù)公路損失資料協(xié)會(huì)(Highway Loss Data Institute)的調(diào)查，使用自動(dòng)調(diào)節(jié)車前大燈(Adaptive Headlights)后，財(cái)產(chǎn)損失責(zé)任保險(xiǎn)的索賠下降了10%。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)車前大燈，攝影機(jī)被安裝在后視鏡上，當(dāng)汽車接近迎面而來的車輛，以及汽車在同一方向行駛中超車時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，并關(guān)掉遠(yuǎn)光燈。它可以在近光和遠(yuǎn)光間切換，但會(huì)根據(jù)迎面車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(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)遠(yuǎn)光燈進(jìn)行調(diào)暗，在完成轉(zhuǎn)彎后，假如沒有迎面車輛駛近時(shí)，重新啟用遠(yuǎn)光車前燈。

其他創(chuàng)新的車輛安全特性包括自我調(diào)整導(dǎo)航控制、車體前部碰撞警報(bào)系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng);行人檢測(cè)和車道偏離報(bào)警也越來越普及。這些特性使用攝影機(jī)或者攝影機(jī)加雷達(dá)/雷射雷達(dá)來監(jiān)測(cè)道路以及危險(xiǎn)狀況，甚至有時(shí)輔助駕駛者來自動(dòng)煞車，從而避免撞車。因此，自動(dòng)緊急煞車(Autonomous Emergency Braking， AEB)系統(tǒng)在新汽車中日益普及。

駕駛者監(jiān)控是汽車技術(shù)中的最新應(yīng)用，可不斷評(píng)估駕駛者適合駕駛的能力。駕駛者監(jiān)控系統(tǒng)，使用攝影機(jī)來檢測(cè)瞌睡的駕駛者，當(dāng)認(rèn)為駕駛者疲勞或不清醒時(shí)便發(fā)出視覺或聲音警告。駕駛者監(jiān)控系統(tǒng)須要考慮的其他因素還包括車速、道路狀況、加速和減速模式。

在不久的將來即可應(yīng)用到車輛上且建基于視覺的技術(shù)，包括了用于人車(Human-car)介面的手勢(shì)識(shí)別、后視鏡/側(cè)視鏡替代方案，以及安全氣囊配置。在手勢(shì)控制中，駕駛者可以與資訊娛樂中心或控制臺(tái)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投射到駕駛者前方的擋風(fēng)玻璃上。在后視鏡/側(cè)視鏡替代方案方面，可使用攝影機(jī)在汽車顯示器上即時(shí)顯示后方/側(cè)方的狀況。至于安全氣囊配置，攝影機(jī)可以檢測(cè)方向盤后駕駛者的準(zhǔn)確位置，萬一發(fā)生碰撞，安全氣囊可以精確配置來保護(hù)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(jī)，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，通過遙測(cè)硬體和軟體來測(cè)量速度、制動(dòng)G 力(G-force)。

.雷達(dá)感測(cè)技術(shù)

由于成本下降，越來越多雷達(dá)系統(tǒng)被用于汽車應(yīng)用中，尤其在短程和遠(yuǎn)端檢測(cè)和識(shí)別中更為明顯。遠(yuǎn)端雷達(dá)系統(tǒng)通常安裝在汽車的前部，用于前視應(yīng)用，比如自我調(diào)整導(dǎo)航控制、制動(dòng)輔助和碰撞警報(bào)。奧迪(Audi)的Pre Sense Front Plus是遠(yuǎn)端雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)例，設(shè)計(jì)用于幫助避免或減少碰撞前方車輛后部的事故，無論前方車輛是移動(dòng)中還是靜止的。短程雷達(dá)系統(tǒng)包括盲點(diǎn)檢測(cè)、側(cè)碰警報(bào)、兩側(cè)來車警告系統(tǒng)(Cross-traffic Alert)和車道變換支援?？巳R斯勒(Chrysler)的Cross Path Detection System包括外側(cè)視鏡中的視覺指示器。福特(Ford)的系統(tǒng)稱為Cross Traffic Alert，是外側(cè)視鏡報(bào)警指示器。

近期的技術(shù)發(fā)展推動(dòng)是將無線連接增加到車輛中。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)之一是采用無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)訊號(hào)組合，車輛可以與其他車輛(V2V)或道路基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)進(jìn)行通訊。

這方面的實(shí)例就是在一列車輛中，當(dāng)前面一部汽車開始煞車，后面的所有車輛都接收到訊號(hào)并相應(yīng)地修改速度和距離。在車輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施通訊實(shí)例中，汽車可以變成一個(gè)熱點(diǎn)，并用無線電接收任何建基于位置的服務(wù)資訊。聯(lián)網(wǎng)汽車還可以與自動(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)車輛具有「極佳的安全效益」，他們正提議在10年內(nèi)強(qiáng)制在新汽車中使用某些技術(shù)。該公告給制造商發(fā)出訊息，那就是車聯(lián)網(wǎng)的車輛代表了汽車安全的下一階段發(fā)展趨勢(shì)。

ADAS應(yīng)用熱潮驅(qū)動(dòng)　影像感測(cè)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技術(shù)。在所有這些技術(shù)中，以影像為基礎(chǔ)的系統(tǒng)是最突出的。隨著攝影機(jī)成本下降、攝像感測(cè)器的性能提升和智慧視覺演算法的發(fā)展，在不久將來，至少八到十個(gè)攝影機(jī)將在后視/環(huán)視和夜視攝影機(jī)、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、視鏡替代和行車記錄儀、駕駛/車輛介面等應(yīng)用中使用。不久將來，正如手機(jī)一樣，由于攝影機(jī)可提供的安全性和便利，當(dāng)消費(fèi)者決定購買汽車時(shí)，攝影機(jī)將成為汽車的關(guān)鍵差異化因素。根據(jù)產(chǎn)業(yè)的調(diào)查研究，到 2020年攝影機(jī)出貨量將上升到超過二億部。汽車攝影機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵成長因素將會(huì)是ADAS，2014年歐洲NCAP開始推動(dòng)這項(xiàng)安全要求，而從2018年開始，美國將強(qiáng)制實(shí)施后視(Review-view)攝影機(jī)。另外，環(huán)視攝影機(jī)應(yīng)用和停車輔助也將在這段預(yù)測(cè)期間快速成長。

與手機(jī)用攝影機(jī)不同，汽車用攝影機(jī)的要求更嚴(yán)格，尤其在低照度下的性能、動(dòng)態(tài)范圍、近紅外線(NIR)敏感性、在攝氏-40到+105℃寬溫度范圍下的圖像品質(zhì)、長期可靠性、圖像資料完整性和穩(wěn)健性等方面。另外，所有出貨給汽車應(yīng)用的圖像感測(cè)器都要求符合AEC-Q100以及在ISO/TS 16949認(rèn)證的設(shè)施中生產(chǎn)。如果在廣泛的品質(zhì)/可靠度性能方面沒有大量的研發(fā)和投入，就很難為汽車視像系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造圖像感測(cè)器。隨著安全應(yīng)用中智慧設(shè)計(jì)的增加，例如ADAS，圖像感測(cè)器的性能也須要相應(yīng)地提高。以下是在圖像感測(cè)器技術(shù)方面的某些關(guān)鍵進(jìn)展，可滿足當(dāng)前和未來汽車視像系統(tǒng)的需求。圖1說明了圖像品質(zhì)的重要性。

圖1　圖像品質(zhì)的重要性

.低照度功能

對(duì)于汽車應(yīng)用來說，低照度下的性能非常重要。例如，在后視攝影機(jī)中，有時(shí)僅有的光源來自汽車的倒車燈。為了看到21公尺長(70英尺)和6公尺寬(20英尺)的汽車后部區(qū)域，須要安裝具有非常好圖像感測(cè)器的攝影機(jī)，以便在低于1勒克斯(Lux)的環(huán)境中進(jìn)行查看。為創(chuàng)建此類低感光感測(cè)器，DR- PIX技術(shù)利用了動(dòng)態(tài)響應(yīng)像素，在一個(gè)像素的設(shè)計(jì)中結(jié)合了兩種工作模式：低轉(zhuǎn)換增益模式和高轉(zhuǎn)換增益模式。低轉(zhuǎn)換增益模式用于明亮場(chǎng)景中的大電荷處理能力;而高轉(zhuǎn)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(cè)器都提供了所具有的最佳雜訊性能。

.動(dòng)態(tài)范圍

在實(shí)際駕駛情況下，常常會(huì)遭遇很有挑戰(zhàn)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(xiàn)斑點(diǎn)。

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

如果沒有高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)，交通標(biāo)誌識(shí)別、物體檢測(cè)等ADAS應(yīng)用中的準(zhǔn)確性將會(huì)變差。為實(shí)現(xiàn)HDR攝影機(jī)，圖像感測(cè)器需要特殊的曝光技術(shù)來增強(qiáng)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，而這正是汽車攝影機(jī)應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵特性。

.NIR敏感性

駕駛者監(jiān)控、手勢(shì)控制和夜視等新興應(yīng)用需要非常高的近紅外光敏感性，因?yàn)榇祟悜?yīng)用需要850至940nm的近紅外線光譜儀來照亮場(chǎng)景或?qū)崿F(xiàn)3D 感測(cè)工作。近紅外線光譜儀是一種結(jié)構(gòu)光模式，非常靈敏的NIR成像儀可以感測(cè)此類資訊，并傳送微點(diǎn)(Micro Dots)資訊來進(jìn)行編譯處理。普通的感測(cè)器通常無法獲取任何940nm的NIR光，但藉著特殊設(shè)計(jì)和制程技術(shù)，已有公司開發(fā)出NIR感測(cè)器，能夠在非常極端的范圍內(nèi)吸收NIR光。

無人駕駛將掀起汽車產(chǎn)業(yè)革命

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

試想像世界上很少發(fā)生車禍、只有少許的交通堵塞和與駕駛相關(guān)的壓力，而自動(dòng)駕駛正為未來駕駛帶來這樣的一個(gè)發(fā)展愿景。谷歌(Google)是倡導(dǎo)無人駕駛汽車的著名企業(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(GM)、奔馳(Mercedes-Benz)、豐田(Toyota)和大眾(Volkswagen)等眾多汽車制造商，也已開始測(cè)試無人駕駛汽車。

許多產(chǎn)業(yè)專家預(yù)測(cè)，自動(dòng)駕駛將從2025年開始在大眾市場(chǎng)應(yīng)用中成為現(xiàn)實(shí)。美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)正在考慮設(shè)置自動(dòng)駕駛專用車道，自動(dòng)駕駛將成為未來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(yīng)用，奠基于CMOS圖像感測(cè)器的視覺系統(tǒng)將成為實(shí)現(xiàn)此一目標(biāo)的關(guān)鍵因素。政府和汽車制造商正在為未來無駕駛者汽車應(yīng)用而努力推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，自動(dòng)駕駛汽車將會(huì)成為汽車誕生以來最偉大的交通業(yè)發(fā)展進(jìn)步。