推進(jìn)汽車成像的挑戰(zhàn)

隨著車輛從主要由先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS) 支持和駕駛員控制向全自動(dòng)駕駛的方向發(fā)展，圖像傳感器的性能變得更關(guān)鍵。尤其是感知周圍環(huán)境以保證所有道路使用者安全的圖像傳感器。

在不良的照明和高溫下，傳感器的性能會(huì)下降，路況變得具有挑戰(zhàn)性。因此，圖像傳感器必須在所有條件下提供出色的性能支持自動(dòng)駕駛。這篇技術(shù)文章將探討圖像傳感器如何發(fā)展以應(yīng)對(duì)自動(dòng)駕駛的挑戰(zhàn)，以最新的技術(shù)、符合需求的價(jià)位提供行業(yè)要求的性能。

隨著車輛從完全由駕駛員控制，到提供駕駛輔助，再到最終接管駕駛?cè)蝿?wù)，它們需要能感知周圍環(huán)境。雖然車輛可使用幾種不同的傳感器模式，但由于圖像傳感器具有捕獲形狀、紋理和顏色的獨(dú)特能力，且成本相對(duì)較低，因此是最通用和最受歡迎的傳感器之一。

部署用于汽車環(huán)境的圖像傳感器有許多挑戰(zhàn)。光線條件可能會(huì)產(chǎn)生極端的對(duì)比度和潮濕路面的眩光，而天氣條件包括雨、霧和雪會(huì)降低能見度。交通信號(hào)燈、路標(biāo)、車輛前大燈和尾燈通常使用LED 照明。LED 照明的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是它非常高效；但它通常是脈沖式的。雖然人眼看不到這脈沖，但圖像傳感器會(huì)將其呈現(xiàn)為閃爍的圖像流。

汽車視覺(jué)的主要作用之一是檢測(cè)車輛路徑上的物體。車輛能看到越遠(yuǎn)的物體，就有越長(zhǎng)的時(shí)間做決策和反應(yīng)。因此需要高分辨率和高圖像質(zhì)量來(lái)辨別遠(yuǎn)處的物體。

隨著在車輛整個(gè)系統(tǒng)中部署更多的圖像傳感器，成本至關(guān)重要—這些傳感器不僅用于前視，還提供360 度環(huán)視和監(jiān)控乘客座艙。有些汽車有10 多個(gè)圖像攝像頭。

圖1 提高汽車自動(dòng)化水平的SAE模型

1   從輔助駕駛向自動(dòng)駕駛發(fā)展

美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）定義了一個(gè)6 級(jí)模型圖，說(shuō)明了從非智能車輛到所有駕駛條件下全自動(dòng)駕駛的車輛發(fā)展，如圖1 所示。

目前，許多車輛的自動(dòng)化水平是L2 級(jí)，其中包括最基本的控制，如糾正高速公路上的車輛漂移。向L3級(jí)遷移意義重大，因?yàn)長(zhǎng)3 級(jí)對(duì)車輛移動(dòng)的控制更自動(dòng)化。圖像傳感器將需要提供800 萬(wàn)像素(MP) 分辨率來(lái)支持這-- 比現(xiàn)在通常使用的圖像傳感器增加了4 倍。

這對(duì)某些情況下的自主運(yùn)行來(lái)說(shuō)是足夠的，例如在高速公路上。向L4 級(jí)和L5 級(jí)發(fā)展，圖像傳感器的分辨率將需要高得多，從而支持所有情況下的自主工作。

同樣，取決于用途，環(huán)視感知和盲點(diǎn)攝像頭也將分辨率提高到300 萬(wàn)像素甚至800 萬(wàn)像素，并同時(shí)含LED閃爍抑制功能和高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)。

另外，非拜耳濾光片已越來(lái)越多地取代了拜耳色彩濾光片陣列（CFA），以改善微光下的工作，同時(shí)仍提供好的色彩性能。

2   像素大小

如果像素大小保持不變，提高傳感器的分辨率會(huì)導(dǎo)致成本大幅上升-- 目前像素大小從4.2 微米(μm) 降至3 μm。不過(guò)，將像素大小減少到2.1 μm 將使800 萬(wàn)像素傳感器的成本大幅降低，也就是說(shuō)像素大小為2.1 μm的800 萬(wàn)像素傳感器與像素大小為4.2 μm 或3 μm 的800 萬(wàn)像素傳感器相比，成本將低很多。相對(duì)成本比較如圖2 所示。

圖2 減小的像素大小顯著節(jié)省成本

因此有人可能會(huì)認(rèn)為，在關(guān)鍵的性能參數(shù)方面如微光性能、信噪比(SNR) 或HDR 會(huì)有一些折衷。但情況并非如此。安森美(onsemi) 的3.75 μm、3 μm 和2.1 μm像素的傳感器，微光性能指標(biāo)（SNR1 和SNR3）基本相似。安森美的新的2.1 μm 像素圖像傳感器的SNR 和HDR 性能優(yōu)于3 μm 像素圖像傳感器。參見圖3，了解SNR1 和SNR3 指標(biāo)的相對(duì)比較。

圖3 減小的像素大小不影響微光性能

此外，與其他供應(yīng)商的3.0 μm 300 萬(wàn)像素或500 萬(wàn)像素傳感器相比，安森美的2.1 μm 800 萬(wàn)像素傳感器方案以相當(dāng)或更低的成本擴(kuò)大了探測(cè)距離。

圖4 安森美的830萬(wàn)像素傳感器比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的3 μm傳感器的探測(cè)距離更遠(yuǎn)

在夜間探測(cè)僅由車燈照亮的石頭這一具有挑戰(zhàn)性的例子中，3 μm 的300 萬(wàn)像素和500 萬(wàn)像素傳感器的探測(cè)距離分別為125 米和150 米。相比之下，安森美的傳感器達(dá)到了170 米（圖4）。這延伸的距離相當(dāng)于系統(tǒng)有更多的反應(yīng)時(shí)間，有助于大大提高安全性。

3   圖像質(zhì)量和更高的汽車溫度

將色彩濾光片從拜耳式改為RYYCy 或RCCB，并納入高質(zhì)量的HDR 色彩管道，如Clarity+，可顯著提高傳感器性能和圖像質(zhì)量。非拜耳色彩濾光片模式允許更多的光子進(jìn)入每個(gè)像素，從而改善微光性能。這使傳感器在具挑戰(zhàn)性的條件下能夠更好地“看”到，同時(shí)使捕獲的原始物體圖像色彩準(zhǔn)確，處理成高質(zhì)量的圖像。SNR 是所有圖像傳感器的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)樗c系統(tǒng)在傳感器生成的圖像中檢測(cè)物體的能力有關(guān)。在高溫下，一個(gè)典型的3 μm 分體二極管傳感器的SNR 會(huì)下降到20 dB 左右。在這個(gè)水平上，噪聲是明顯可見的，而且物體檢測(cè)也更困難。一個(gè)可比的安森美傳感器的SNR 水平超過(guò)30 dB。在這個(gè)水平上，噪聲明顯減少，物體檢測(cè)也容易得多，從而為視覺(jué)應(yīng)用帶來(lái)了視覺(jué)上更愉悅的圖像。

高溫對(duì)圖像傳感器來(lái)說(shuō)始終是個(gè)挑戰(zhàn)，可能大大降低圖像質(zhì)量和性能。這在汽車應(yīng)用中尤其如此，傳感器在其80% 以上的壽命期內(nèi)都工作在80 °C 或更高的結(jié)溫下-- 由于處于陽(yáng)光直射下，并被設(shè)計(jì)在小的封閉空間內(nèi)，這空間內(nèi)還有其他電子器件在運(yùn)行中產(chǎn)生熱量。

即使在125℃的結(jié)溫下，安森美2.1 μm 像素大小的圖像傳感器在中高光照條件下也能達(dá)到25 dB 以上的SNR性能，從而確保在所有工作條件下都能實(shí)現(xiàn)精確的物體檢測(cè)。

4   現(xiàn)代2.1 μm汽車HDR LFM圖像傳感器

安森美最新的汽車圖像傳感器提供3 840×2 160（830 萬(wàn)像素）的分辨率，含最新一代2.1 μm 超級(jí)曝光像素。該傳感器采用了真正的LED 閃爍抑制（LFM）像素技術(shù)，可生成達(dá)155 dB 的HDR 圖像，無(wú)閃爍時(shí)超過(guò)110 dB。HDR 幀率可以達(dá)到60 幀/ 秒 (fps)，而將幀率降低到45 fps 將使HDR從110 dB 提高到145 dB 以上。

圖5 安森美2.1 μm傳感器（左）和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的3 μm傳感器（右）圖像質(zhì)量對(duì)比（剪裁后）

關(guān)于微光性能，2.1 μm 傳感器的性能與性能非常好的3 μm 像素傳感器相當(dāng)或更好。圖5 說(shuō)明了2.1 μm 傳感器與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的3 μm 傳感器相比的HDR 圖像質(zhì)量差異，突出了更好的動(dòng)態(tài)范圍，捕獲到更好的細(xì)節(jié)和交通信號(hào)燈的真實(shí)顏色。在結(jié)溫（Tj）高達(dá)100 °C 時(shí)，過(guò)渡SNR 超過(guò)30 dB，即使在極端溫度下（ Tj = 125 °C ），SNR 也超過(guò)25 dB。在所有條件下，該傳感器都能產(chǎn)生高色彩保真度的清晰圖像，這部分歸功于拜耳和非拜耳CFA 技術(shù)所提供的范圍--RGGB、RCCB、RCCG 和RYYCy。

5   總結(jié)

先進(jìn)的自主車輛越來(lái)越依賴高性能的成像器，使其能夠感知周圍的環(huán)境。雖然提高圖像傳感器的性能是可以實(shí)現(xiàn)的，但在不增加成本的情況下這樣做是具有挑戰(zhàn)性的。

安森美的成像器件設(shè)計(jì)表明，縮小像素大小的800萬(wàn)像素傳感器的價(jià)格與目前200 萬(wàn)像素4.2 μm 傳感器和（400-500）萬(wàn)像素3 μm 傳感器的價(jià)格相近，不影響微光性能的SNR 和HDR。此外，采用非拜爾式CFA，更增強(qiáng)了極為重要的微光性能。

高溫始終是個(gè)挑戰(zhàn)，傳感器被置于有限的空間里，這空間里還有發(fā)熱的器件，并暴露在陽(yáng)光下。安森美傳感器在高達(dá)125 °C 的溫度下可以提供出色的性能，確保在所有工作條件下都能捕獲到高質(zhì)量的圖像。下一代圖像傳感器對(duì)于車輛安全和向更高自主性發(fā)展至關(guān)重要。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）