汽車機器視覺應(yīng)用的寬動態(tài)范圍成像技術(shù)

　　只有采用了Autobrite 技術(shù)的照相機才能使圖像傳感器的動態(tài)范圍與場景和應(yīng)用相匹配。具備Autobrite 功能的照相機提供了出眾的寬動態(tài)范圍性能，可用于在駕駛者輔助系統(tǒng)中捕獲完整而準(zhǔn)確的視覺信息。

　　傳感器以最高的保真度來捕獲一幅圖像的黑暗和明亮部分的能力即為其動態(tài)范圍。動態(tài)范圍越高，則從被掃描物體進行的光學(xué)圖像變換的保真度就越高。

　　為什么WDR(寬動態(tài)范圍)很重要？DR(動態(tài)范圍)是如何定義的？動態(tài)范圍被定義為導(dǎo)致像素飽和的最大照度與成像器的噪聲層相除所得的商。高于飽和電平的信息將會丟失，而任何比噪聲層更暗的信息都將無法與噪聲區(qū)分開來。對該比值取對數(shù)再乘以20將給出以db(分貝)為單位的動態(tài)范圍。


 圖1  捕獲圖像實例，左圖未采用Autobrite，右圖采用了Autobrite

　　用于實現(xiàn)寬動態(tài)范圍的Autobrite解決方案

　　Autobrite是賽普拉斯(Cypress)推出的一款完整解決方案，它滿足了寬動態(tài)范圍照相機的所有標(biāo)準(zhǔn)。Autobrite采用了組合技術(shù)(以擴展動態(tài)范圍)和一個簡單的標(biāo)準(zhǔn)3T CMOS像素(以提供可靠性和成本效益性)。無需額外的幀緩沖器。

　　Autobrite基于麻省理工學(xué)院的研究成果，它是利用賽普拉斯專有的可變高度/多重復(fù)位法來控制像素的。一個完整的反饋環(huán)路同時控制著積分時間和動態(tài)范圍擴展，以實現(xiàn)完全的自適應(yīng)性和可編程性。

　　Autobrite的優(yōu)點

　　圖1并列比較了在采用和未采用Autobrite技術(shù)的情況下所捕獲的圖像。在左側(cè)的圖像中，場景內(nèi)動態(tài)范圍明顯超過了照相機的動態(tài)范圍，從而導(dǎo)致在明亮和黑暗區(qū)域中出現(xiàn)“限幅”或細節(jié)丟失。而在右側(cè)的圖像中，Autobrite則可使同一幅場景的完整視覺細節(jié)都被捕獲到，即使在極亮和極暗的區(qū)域中也不例外。

　　Autobrite在汽車中的應(yīng)用

　　汽車行業(yè)中的機器視覺應(yīng)用面臨著關(guān)鍵的成像技術(shù)難題。駕駛者輔助系統(tǒng)必須快速而準(zhǔn)確地對來自非可控環(huán)境的視覺細節(jié)進行處理并做出響應(yīng)。這種能力倚仗的是從一部能夠適應(yīng)寬照度級變化范圍的照相機來獲得完整且準(zhǔn)確的視頻信息。

　　一幅場景中的最高光強度與最低光強度之比被稱為“動態(tài)范圍”。諸如逐漸迫近的前燈照射光、來自其它車輛的眩光、隧道入口和出口以及日出或日落等條件會在一幅場景的內(nèi)部產(chǎn)生照度的極端變化。如果照相機的動態(tài)范圍寬度不足以提供一幅場景的動態(tài)范圍，則最終形成的圖像將無法捕獲汽車機器視覺系統(tǒng)所要求的細節(jié)信息。這些細節(jié)信息是不可能通過后處理來恢復(fù)的。

　　圖2羅列了面向機器視覺的典型汽車成像應(yīng)用。在所有這些應(yīng)用中，寬動態(tài)范圍對于捕獲所有可用細節(jié)(以便由駕駛者輔助系統(tǒng)來執(zhí)行更多的電子處理)而言是必不可少的。例如，一個盲點監(jiān)視系統(tǒng)負(fù)責(zé)比較視頻幀，并在有車輛逐漸進入被監(jiān)視區(qū)域時向駕駛者發(fā)出提示信號。為了探測移動車輛(但忽略諸如路障等固定物品)，處理器必須在陽光和黑暗中從照相機接收準(zhǔn)確而完整的數(shù)字信息。

　　在諸如盲點監(jiān)視或車道偏離警示等應(yīng)用中，右側(cè)圖像中所提供的信息是至關(guān)緊要的。只有右圖為機器視覺系統(tǒng)提供了分析并通知駕駛者有關(guān)安全車道變更狀態(tài)的足夠細節(jié)。使用左側(cè)圖像的汽車機器視覺系統(tǒng)發(fā)生差錯的概率要高一些。


 圖2  駕駛輔助系統(tǒng)中機器視覺的應(yīng)用


圖3  實際汽車輔助照明圖像實例，未采用(左圖)和采用Autobrite(右圖)技術(shù)的對比

　　車道偏離警示

　　車道偏離警示系統(tǒng)必須在各種照明和天氣條件下辨別道路上的行車路線標(biāo)記，以在車輛駛出其車道時向駕駛者發(fā)出警示信號。Autobrite的寬動態(tài)范圍可使照相機捕獲到關(guān)鍵的視覺信息，從而即便是在非常復(fù)雜的場合(比如：在一條黑暗的隧道中，并有來自前方隧道出口的眩光)也能夠探測到行車道標(biāo)記。

　　在上述的隧道場合中，照相機必須在駕駛者驅(qū)車駛出隧道而進入明亮的陽光照射環(huán)境時迅速地針對照明條件的變化進行調(diào)節(jié)。Autobrite可根據(jù)新的場景對響應(yīng)曲線做出適應(yīng)性的調(diào)整，從而令照相機能夠繼續(xù)捕獲與道路上的行車路線標(biāo)記有關(guān)的重要信息。同樣，Autobrite還將針對照明條件的日夜變化自動地進行相應(yīng)的調(diào)整。

　　駕駛者疲勞監(jiān)視

　　在有些情況下，動態(tài)范圍過大可能是有害的。如果一幅場景需要一個窄照明范圍內(nèi)的精確細節(jié)，則動態(tài)范圍過于寬廣的傳感器將捕獲極端照明條件下的多余信息，而關(guān)鍵照明范圍內(nèi)的捕獲信息卻不足。

　　例如，負(fù)責(zé)跟蹤駕駛者眼球運動的駕駛者疲勞監(jiān)視系統(tǒng)可以采用一個頻閃閃光燈來對目標(biāo)進行照明。在該場合中，動態(tài)范圍不太重要，關(guān)鍵的是高對比度。可對Autobrite的設(shè)定值進行優(yōu)化，以限制動態(tài)范圍，并提供最大的對比度。

　　圖3示出了Autobrite用于后備輔助相機的出眾的寬動態(tài)范圍性能。在采用傳統(tǒng)相機捕獲的圖像(左側(cè))中，由于相機自動調(diào)節(jié)曝光量以捕獲明亮區(qū)域中的細節(jié)，因此陰影會使位于車輛后方的物體變得模糊不清。在右側(cè)的圖像中，Autobrite能夠同時捕獲明亮和黑暗區(qū)域中的細節(jié)，并清晰地顯示位于汽車行進路線上的障礙物。

　　結(jié)語

　　Autobrite克服了汽車應(yīng)用中機器視覺動態(tài)范圍的局限性。Autobrite的自適應(yīng)性和可編程性確保其即使在最復(fù)雜的照明條件下也能夠捕獲完整而準(zhǔn)確的視覺細節(jié)信息。