攻克汽車(chē)成像演進(jìn)難點(diǎn)

隨著車(chē)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?chē)h(huán)境以保證所有道路使用者安全的圖像傳感器。

隨著車(chē)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?chē)h(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(chē)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?chē)h(huán)境。雖然車(chē)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(chē)環(huán)境的圖像傳感器有許多挑戰(zhàn)。光線(xiàn)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(jiàn)度。交通信號(hào)燈、路標(biāo)、車(chē)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(chē)視覺(jué)的主要作用之一是檢測(cè)車(chē)輛路徑上的物體。車(chē)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(chē)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(chē)有10多個(gè)圖像攝像頭。

從輔助駕駛向自動(dòng)駕駛發(fā)展

美國(guó)汽車(chē)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(chē)輛到所有駕駛條件下全自動(dòng)駕駛的車(chē)輛發(fā)展，如圖1所示。

目前，許多車(chē)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(chē)輛漂移。向L3級(jí)遷移意義重大，因?yàn)長(zhǎng)3級(jí)對(duì)車(chē)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)。

圖一 提高汽車(chē)自動(dòng)化水平的SAE模型

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。

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。

圖二 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(jiàn)圖3，了解SNR1和SNR3指標(biāo)的相對(duì)比較。

圖三 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。

圖四 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(chē)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。

圖像質(zhì)量和更高的汽車(chē)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(jiàn)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(chē)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 ℃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)。

現(xiàn)代2.1 μm汽車(chē)HDR LFM圖像傳感器

安森美最新的汽車(chē)圖像傳感器提供3840x2160(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。

圖五 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(裁剪后）

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 ℃時(shí)，過(guò)渡SNR超過(guò)30 dB，即使在極端溫度下(Tj=125 ℃)，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。

總結(jié)

先進(jìn)的自主車(chē)輛越來(lái)越依賴(lài)高性能的成像器，使其能夠感知周?chē)沫h(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 ℃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(chē)輛安全和向更高自主性發(fā)展至關(guān)重要。

（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體，作者：安森美汽車(chē)方案分部(ASD)技術(shù)和產(chǎn)品戰(zhàn)略高級(jí)經(jīng)理Sergey Velichko）