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作者：安森美半導體Bahman Hadji 隨著人們對自動駕駛車輛的興趣不斷增加，通往自動駕駛的道路顯然是用路標鋪就的，例如增加先進駕駛輔助系統(ADAS)的部署。圖像傳感器是這些基于攝像機的系統的基礎，好比車輛的眼睛。隨著后視攝像頭和360度環視系統的出現，它們令司機能看到車后和車輛周圍，使駕駛更安全，此外，用前視攝像頭系統感知什么在車輛前面，提供幫助防止碰撞的自動功能。政府機構出臺的法規和新車評估計劃(NCAP)等安全評級推動汽車攝像頭的迅速采用，促使汽車制造商在他們的汽車平臺上引入這些系統，從豪華車型到大眾市場車型。因此，根據日本市場研究公司Techno Systems Research的數據，全球每年生產的汽車攝像頭數量從2013年(4700萬臺)到2017年(1.1億臺)翻了一番多，將在2024年超過2億臺。 此外，360度環視系統基于在車輛兩側安裝四個攝像頭，為駕駛員提供低速停車和操縱優勢，攝像頭還可用以提供車道偏離警告和盲點檢測等功能，在需要換車道之前提醒駕駛員。攝像頭甚至被用來取代車鏡，以攝像頭監控系統(CMS)的形式，這種系統令駕駛員在車內的顯示器上看到傳統的側視鏡視野，而無盲點，同時無需外部車鏡(因為轄區可以放寬車鏡要求法規)-這對燃油經濟性和工業設計都有很大的優勢。同時，前視攝像頭系統不僅用于向駕駛員顯示視頻，還檢測在車輛前面發生了什么，以提供額外的安全和方便特性。這些系統可通過自動緊急制動來避免碰撞，當檢測到車輛路徑上突然的障礙物時，可以使汽車停下來，并通過自適應巡航控制為駕駛員提供幫助，這在公路行車條件下，特別是在交通擁擠的情況下是非常有用的。 傳感器考量 雖然所有這些應用都用圖像傳感器作為攝像機的核心器件，但它們通常對一些參數有不同的要求，如圖像質量、分辨率和傳感器大小，不一而足。例如，用于向駕駛員顯示圖像的攝像機(例如后視攝像機)所需的圖像質量可能不同于用于感知的前視攝像機所需的圖像質量，后者結合算法以提供自動緊急制動ADAS功能。同樣，實現特定顯示格式的圖像傳感器所需的分辨率將與計算機視覺應用所需的分辨率不同，后者需要對于一個對象的精確的最小像素數用于算法，才能正確檢測和識別它，直接轉換為對傳感器分辨率的要求。 在前視攝像頭系統中，計算機視覺算法利用圖像傳感器輸出來檢測行人、車輛和物體并作出決策，需要對通過數千小時的測試駕駛獲得的一系列圖像進行訓練，這是一個成本非常高的做法。需要使用與在生產中推出的系統相同的系統來收集這些圖像，并且需要在收集此數據集之前設置圖像質量。這種圖像質量的調整和開發需要工程人員結合傳感器工作，并通過適當的自動曝光和自動白平衡技術來控制它，以便隨著場景條件的變化自動輸出最優圖像。然后使用這些捕獲的圖像進行訓練的計算機視覺算法不能隨后在由具有不同特性或調諧的圖像傳感器組成的攝像機上運行，因為它們已適應于識別給定數據集的配置文件。可擴展的圖像傳感器平臺提供相同的性能和相似的特性，具有不同的分辨率，大大減少了制造商在多個平臺上工作所需的工作量和成本，因為它們實際上可以重用工程開發工作和圖像的訓練數據集。 成像挑戰 在考慮任何汽車成像系統時，圖像傳感器的性能和捕捉大范圍場景內容或動態范圍的能力是一個關鍵參數。動態范圍衡量傳感器能捕獲到的場景對比度，或者簡單地說，它能很好地處理相同的場景中非常明亮的區域和黑暗區域或陰影。這是汽車攝像頭一個常見的問題，當您考慮在傍晚太陽落至地平線下時，汽車將在地下通道下行駛。如果傳感器的動態范圍太低，可能會忽略場景中的關鍵細節，從而導致駕駛員或計算機視覺算法沒有注意到場景中的對象，從而導致不安全的狀況。 制造商現在必須處理的另一方面是在交通標志以及汽車前照燈和尾燈中越來越多的使用發光二極管(LED)，這增加了汽車成像的挑戰。LED照明通常采用脈寬調制(PWM)控制：LED以不同的占空比開關，以控制光的強度和省電，速度太快，人眼無法感知。但是，雖然我們的眼睛不能感知這些燈光的閃爍，但是圖像感應器通常會捕獲到LED開關時的。這意味著圖像傳感器輸出在顯示為視頻時將顯示此閃爍效果。這是我們不想要的，可能會帶來安全問題-和使事情更加復雜，在車輛或交通標志中使用脈沖LED的頻率沒有標準。對于帶有計算機視覺算法的前視攝像頭，閃爍效應意味著交通標志可能會被誤讀或完全漏掉，而對于CMS或后視攝像頭等視覺應用，它會讓駕駛員分心和困惑。 把這個場景放到背景中，想象一個含高亮度源的場景，比如地平線下的太陽，還有一些看起來更暗的細節，比如路邊的行人在附近一棵樹的樹蔭下。為捕獲這一高動態范圍的場景，常見的圖像傳感器將通過使用較短的曝光時間來補償場景的明亮部分，以避免場景的飽和和溢出。在同一場景中出現脈沖光源(如汽車LED大燈)的情況下，用于捕獲場景明亮細節的短曝光時間將導致圖像傳感器捕獲大燈實際關閉時的一個幀。雖然它隨后將合并多個曝光以輸出高動態范圍圖像，但在明亮的日光場景中，以上述方式部分或全部曝光將忽略LED，并導致前照燈出現閃爍。如果延長曝光時間，試圖在LED打開時捕獲到場景，那么被強光照射的場景中的部分會被過度曝光，大大縮小動態范圍，丟失細節，最終導致圖像質量無法接受。 高動態范圍和減少LED閃爍 解決這一問題的方案是能夠在單個幀內實現更大的動態范圍的一種圖像傳感器，以便能夠以足夠長的曝光時間捕獲明亮區域，在“開啟”期間捕獲到脈沖光源，而不會過度曝光場景。安森美半導體的Hayabusa™汽車圖像傳感器平臺以一種使能超級曝光（Super-Exposure）的創新的像素技術成功地解決了這一問題。這項技術采用了一種創新的設計和工藝，能夠在傳感器內存儲更多的電荷，使曝光時間在達到飽和前比目前汽車中使用的相同尺寸的傳統圖像傳感器長五倍。通過這種像素技術，Hayabusa™圖像傳感器實現了120 dB以上的高動態范圍成像，同時減少LED閃爍。 該方案的一部分在于構造Hayabusa™超級曝光像素.通過一種新的設計和制造工藝，每個背照式3.0微米像素存儲了來自入射光的100,000多個電荷電子，這大大超過了相同像素大小的傳統CMOS圖像傳感器提供的20,000個電子。這導致單個超級曝光捕獲95分貝的動態范圍，涵蓋了大部分場景，而Hayabusa傳感器能添加第二個非常短的曝光，通過捕獲場景中最亮的部分，將動態范圍擴大到超過120 dB。 為了在保持高動態范圍輸出的同時實現抑制LED閃爍的效果，超級曝光可被限制為足夠長的時間來捕獲場景中所期望的最低頻率脈沖LED的整個周期：如果我們考慮為90 Hz，相當于約11毫秒的曝光時間(在此期間，LED可能只在該時間的1/10或更短的時間內打開)。傳感器有100,000個電子電荷的容量，可曝光這么長時間，而不丟失明亮區域的細節，同時捕獲LED “打開” 的脈沖信號。其次，較短的曝光時間結合一個專有的片上算法，確保擴大動態范圍，同時保留超級曝光捕獲的含脈沖LED的場景中的區域，通過二次曝光以防止它們被丟失。因此，傳感器能夠捕獲場景中超過120分貝的動態范圍，同時保留由脈沖LED組成的區域，采用一般的傳感器時這些脈沖LED看來像是在閃爍。這一現實性能使Hayabusa平臺成為開發要求高動態范圍的、減少LED閃爍的汽車攝像頭的最佳方案，而且由于該平臺中的所有產品都具有相同的性能，制造商可以在器件之間任意轉換，并且能夠重用大部分的工程工作以及用于從其中一個傳感器訓練算法的數據。 總結 Hayabusa平臺的符合車規的圖像傳感器涵蓋從100萬像素到500萬像素分辨率，可擴展，并為制造商提供用于各種不同應用的配置選項。該平臺的首款器件AR0233AT，是一款260萬像素的傳感器，同時具有高動態范圍和抑制LED閃爍能力，以每秒60幀的速度生成1080p視頻。 一個圖像傳感器平臺成功地解決了汽車成像領域的兩大主要技術挑戰，同時也解決了制造商的實際問題。通過創建一個平臺，以一系列器件提供一致的性能和表現，開發人員可充分利用數千小時的場景數據進行算法培訓，以在不同的車輛上部署類似的ADAS功能，使用最適合該應用的圖像傳感器。這使得他們能夠以最少的工作量將高端的、高分辨率系統和具性價比的低分辨率系統部署到不同的車輛平臺上。Hayabusa圖像傳感器平臺的功能將顯著地幫助制造商推進其ADAS產品，從而為消費者帶來更多的選擇，但更重要的是為更多的駕駛員配備將提升駕駛員和行人道路安全的系統。 |
