高動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器在汽車視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用

1. 簡介

隨著汽車安全重要性的凸顯，行車輔助系統(tǒng)（Driving Assistance System，DAS）在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在這類應(yīng)用中，圖視覺系統(tǒng)是必不可少的一個組成部分，其必須快速、精確地感知各種路況，進而提前預(yù)警或控制車輛行為。這要求系統(tǒng)的前端----攝像頭能夠最大限度地適應(yīng)不同的光照條件，提供路況場景的細節(jié)信息。

圖1顯示了汽車視覺系統(tǒng)的主要應(yīng)用，包括前視、后視、側(cè)視、內(nèi)視等。以前視為例，夜視（Night Vision，NV）、車道偏離預(yù)警（Lane Departure Warning，LDW）、碰撞預(yù)警（Collision Warning，CW）、交通標志識別（Traffic Sign Recognition，TSR）等應(yīng)用要求視覺系統(tǒng)在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識別車道線、車輛、障礙物、交通標志等。所有這些功能要求圖像傳感器的動態(tài)范圍（Dynamic Range，DR）足夠高，為后級圖像處理系統(tǒng)提供豐富的細節(jié)信息。

本文主要討論圖像傳感器在汽車視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用。第二部分介紹汽車視覺系統(tǒng)對圖像傳感器性能的要求，第三部分討論高動態(tài)范圍圖像傳感器技術(shù)。第四部分對本文作一個總結(jié)。

2. 汽車視覺系統(tǒng)中的圖像傳感器

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的器件，是攝像頭的重要組成部分，如圖2所示。在典型汽車應(yīng)用中，視覺系統(tǒng)要處理一些復(fù)雜的路面情況，比如來面向陽光行車、進出隧道、以及夜間會車時對面車輛前照燈等。這類路況要求攝像頭，以及其中的圖像傳感器能夠自動適應(yīng)這類復(fù)雜場景，否則圖像中細節(jié)信息的損失很難通過后級信號處理方法來恢復(fù)。

一幅畫面中，最亮部分和最暗部分亮度的比值被稱作動態(tài)范圍，比如，陽光直射下某亮色物體亮度大約是100kcd/ m2，陰影下的暗色物體亮度大約是100mcd/ m2。某場景若同時包括這兩種物體，則圖像的動態(tài)范圍是120dB。只有圖像傳感器的動態(tài)范圍高于120dB，汽車視覺系統(tǒng)才能有效地對該場景進行圖像采集。

考慮到夜間行車，有些道路沒有路燈或者路燈很暗，汽車視覺系統(tǒng)也需要在低光照場景下采集路況信息。針對汽車應(yīng)用，圖像傳感器需要滿足一系列汽車級要求，如寬溫度范圍、高可靠性、高集成度、低成本等。表1總結(jié)了汽車視覺系統(tǒng)中圖像傳感器應(yīng)該具有的性能：