CMOS 圖像傳感器為自動駕駛汽車提供視覺感知

要實現全自動駕駛汽車，需要整合來自多種傳感器的信息，其中攝像頭的信息可能是最重要的。這些攝像頭必須能夠在各種條件下連續捕捉最微小的細節，以確保車輛乘客和其他道路使用者的安全。本文將探討在選擇圖像傳感器時需要注意的關鍵特性，以便為自動駕駛汽車提供所需的出色功能組合。

圖 1 圖像傳感器是實現自動駕駛的重要組成部分

圖像傳感器負責將光子轉化為電子，然后存儲為數字圖像數據。如今，圖像傳感器廣泛應用于各種攝像頭視覺應用，包括智能工廠、醫學成像和汽車領域。圖像傳感器的選擇取決于給定應用所需的性能水平。在決定使用哪種圖像傳感器時，首先需要了解所需的幀率、預期的照明條件和所需的系統容限，但如果缺乏視覺系統方面的工程專業知識，可能會讓這個過程變得艱巨。好在有幾種標準可以用來比較不同圖像傳感器的性能。 

傳感器分辨率和靈敏度

在測量精度至關重要的應用中，傳感器分辨率是一項關鍵指標，因為它決定了捕捉圖像的感光表面行和列上的像素數量。所需的最小像素數量取決于圖像中需要檢測的最小特征。雖然理論上每個維度只需 2 個像素即可解析物體的單個特征，但對比度不足和圖像噪聲意味著實際應用中至少需要 4 或 5 個重疊像素，才能完全解析一個特征。 

靈敏度衡量傳感器將光子轉化為電子的效率，在幾乎所有應用中都很重要。它衡量傳感器識別可用圖像所需的時間和照度（照明）。靈敏度還受到傳感器噪聲的影響，因此信噪比 (SNR) 是一項重要指標。具有高信噪比的傳感器可在低光條件下提供更高質量的圖像。靈敏度在監控和醫療應用中尤為重要，因為這些應用即使在低光條件下也需要高質量的圖像。雖然圖像傳感器資料手冊提供了靈敏度指標，但有時很難比較不同制造商生產的傳感器的靈敏度。自動駕駛汽車即使在低光（近乎黑暗）的條件下，也需要高水平的細節，因此在選擇圖像傳感器時，必須仔細考慮分辨率和靈敏度這兩項關鍵指標。 

動態范圍和幀率

動態范圍是指一個像素的最?。ㄔ肼暎┬盘柵c其最大阱容之間的比值，它定義了圖像中存在多少不同亮度級別。在具有極端光照條件的應用中，這是一個特別重要的特性。動態范圍指標基于歐洲機器視覺協會 (EMVA)1288 標準，并以分貝 (dB) 為單位，因此可以輕松地根據大多數傳感器資料手冊進行比較。

圖 2 右側圖像具有更高的動態范圍

幀率是傳感器的速度指標，以每秒讀取的圖像（幀）數 (fps) 來衡量。在捕捉快速移動物體的應用中，高幀率非常重要，因為需要較短的曝光時間，以防止出現模糊和減少運動偽影。隨著傳感器像素數量增加，可實現的最大幀率會降低。例如，使用低質量的視頻圖形陣列 (VGA) 圖像傳感器可以實現更高的幀率，而使用全分辨率 2000 萬像素傳感器則無法達到同樣的效果。支持“感興趣區域”(ROI) 的傳感器可以將高幀率與高分辨率結合起來。這類傳感器會確定圖像中要進行處理的一個或多個區域，而忽略圖像的其他所有區域。這有效降低了整體圖像分辨率，因而能夠實現更高的幀率。與標準汽車一樣，自動駕駛車輛在高速行駛過程中會遇到各種光照條件，因此在選擇圖像傳感器時，高動態范圍和高幀率是至關重要的特性。

運動與色彩

CMOS 圖像傳感器使用的兩種讀出方法是卷簾快門和全局快門。卷簾快門法在曝光時逐行讀出傳感器的像素，因此是一種非?？焖俚募夹g。與使用全局快門的傳感器相比，它每個像素使用的晶體管數量更少、噪聲更小、靈敏度更高，且成本更低。建議在需要高動態范圍的應用中使用卷簾快門傳感器。在全局快門讀出方法中，每個像素會同時曝光，因此像素行之間沒有捕捉延遲。然而，這種方法既昂貴又難以實現。 

在測量記錄和存在檢測等應用中，可以接受采用黑白圖像傳感器，但現在許多應用都需要彩色圖像。不過，黑白傳感器也具有一些優勢。為了使傳感器提供彩色圖像，需要在像素級別以拜爾模式排列 RGB 濾光片。不過，拜耳色彩插值會導致細節和整體測量精度降低。因此，只有在應用需要色彩信息時，才需要使用彩色傳感器。顯然，自動駕駛汽車應用需要捕捉彩色圖像并使用卷簾快門傳感器。 

像素大小

有一種誤解是，像素越大，圖像質量就越好。雖然較大的像素有更多面積可用于收集光線，但并不意味著可以獲得更高質量的圖像。需要注意的是，分辨率和像素噪聲指標等因素在決定圖像質量方面也起著重要作用。較小的像素往往具有較低的暗信號不均勻性 (DSNU)；在較高溫度下，暗信號不均勻性會限制低光性能。在某些情況下，像素較小的傳感器性能會優于像素較大的傳感器。在設計攝像頭系統時，必須考慮在速度、靈敏度和圖像質量特性之間取得良好的平衡，以實現出色的性能。

CMOS 傳感器解決方案

Hyperlux 傳感器系列是安森美推出的第二代超級曝光像素技術平臺，在 300 萬像素至 800 萬像素及更高分辨率的汽車成像應用中性能出色。憑借超過 120 dB 的無閃爍 (FF) 單次曝光和 150 dB 的超高動態范圍 (HDR) 與 LED 閃爍消除 (LFM) 技術，該系列傳感器能夠在汽車應用溫度范圍內提供穩定的圖像質量和動態范圍，無需在不同光照條件下更改設置，從而減少了延遲并提高了安全性。該系列 2.1 μm 圖像傳感器包括智能 ROI、像素合并 (binning)、陣列框選 (windowing) 和雙輸出等靈活功能。這些功能可以同時輸出不同分辨率 (ROI) 和不同積分時間的數據等靈活的數據格式。該傳感器專為 ASIL-D 系統設計，其精密的實時安全機制和故障檢測功能有助于實現更高級的先進駕駛輔助系統 (ADAS)。

了解是選擇的關鍵

本文介紹了在為自動駕駛汽車應用選擇 CMOS 圖像傳感器時需要考慮的關鍵特性，包括分辨率、靈敏度、速度、動態范圍、運動和色彩。安森美 Hyperlux 圖像傳感器提供了上述各項特性的出色組合，非常適合各種汽車應用。