汽車安全系統(tǒng)中的攝像頭技術(shù)

在上世紀60年代，汽車業(yè)將注意力轉(zhuǎn)向?qū)ふ夷軌虮ＷC駕駛者和乘客安全的創(chuàng)新方法。結(jié)果如何呢？出現(xiàn)了緩沖方向盤和儀表板、座椅安全帶，以及其后的安全氣囊和電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。自那時起，汽車工程師便一直在探索保護行人、駕駛者和乘客安全的方法。因此，汽車業(yè)在提高安全性方面取得了巨大進步，從制動防抱死和多個安全氣囊，以至后視攝像系統(tǒng)和先進的導航系統(tǒng)。

如今，汽車業(yè)繼續(xù)受到來自政府、非政府組織以及消費者的壓力，以期制造行駛更安全的車輛。例如，美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)提出，明確規(guī)定駕駛員在倒車時必須能夠看見的車后方區(qū)域。預計在美國銷售的乘用車將會全部采用這一提議，以便大幅減少由倒車事故造成的災禍和傷亡，涉及兒童、殘疾人、老年人以及其它行人。

因此，基于攝像頭的視覺系統(tǒng)便成為實施這項提議的關(guān)鍵所在。美國國家公路交通安全管理局要求：2014年9月1日及其以后在美國制造的所有車輛必須帶有后視系統(tǒng)。這一要求推動了攝像頭解決方案的生產(chǎn)量增長，推動業(yè)界開發(fā)性能更高、分辨率更好的成像解決方案，并且推動了下一代安全應用和安全系統(tǒng)的發(fā)展。

面向新興汽車市場的攝像頭

在汽車行業(yè)，攝像頭逐漸成為高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADDAS)的重要組成部分。這些攝像頭用于多種用途，例如：交通標志識別、用于停車距離控制(PDC)和車道偏離警示系統(tǒng)(LDW)的后視系統(tǒng)。如今，許多新型車輛集成有數(shù)個攝像頭，覆蓋了汽車周圍的所有區(qū)域，因而能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的安全系統(tǒng)。

在這些先進的汽車攝像頭安全系統(tǒng)中，增強的成像和感測能力開啟了一個無限可能的世界。攝像頭視覺系統(tǒng)采用遠視場來補足長距離雷達，使用較寬視場來彌補短距雷達或超聲波傳感器的不足，使得駕駛員可以看到前后方的道路。因此，可提供另一組數(shù)據(jù)來確認所繪制的整體圖片的精確性。例如，來自雷達和攝像頭的支持數(shù)據(jù)能夠大大增強決策的信心，如使用剎車系統(tǒng)等等。

表1：汽車攝像頭的要求

汽車攝像頭安全系統(tǒng)內(nèi)的圖像傳感器

自1969年電荷耦合器件(CCD)出現(xiàn)以來，其應用一直在增長，擴展到數(shù)碼相機、望遠鏡、攝像機、掃描儀，以及其它成像應用領(lǐng)域。然而，CCD在汽車安全應用方面有其固有的不足之處。最明顯的是：CCD制造需要專門的工廠、設備及工藝，這給以低成本大批量生產(chǎn)汽車攝像頭帶來了困難。在汽車安全方面，CCD架構(gòu)也有內(nèi)在的局限性。標準CCD圖像傳感器經(jīng)設計以串行方式讀出數(shù)據(jù)，這意味著必須在讀出所有的先前像素之后，才能讀出后面的像素。這限制了幀速或每秒讀取的圖像數(shù)目，在快速捕捉圖像為關(guān)鍵性功能的汽車安全應用中成為一種重要的缺陷。此外，大多數(shù)CCD攝像頭不具備表1突顯的必需的寬動態(tài)范圍(WDR)功能。

互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器是替代的解決方案，它可在具有高成本效益的商業(yè)代工廠生產(chǎn)，使用與生產(chǎn)其它計算芯片相同的高量產(chǎn)工藝。CMOS圖像傳感器具有隨機訪問讀取功能，這意味著可對像素進行隨機尋址，并可快速讀出子幀(sub-frame)，即感興趣的區(qū)域。因此，CMOS圖像傳感器克服了上述CCD傳感器的某些缺點，而且具有幾乎無限的子采樣和子窗口能力。CMOS攝像頭的一個附加優(yōu)勢是能夠滿足寬動態(tài)范圍(WDR)和低光照性能要求，進一步推動CMOS圖像傳感器取代CCD傳感器而成為眾多成像市場(包括汽車市場)的首選傳感器(見圖1)。實際上，CMOS汽車傳感器市場可望從2009年的不到1000萬個增長至2017年的5000萬個以上(IMS 2009年汽車市場報告)。

在擁有攝像頭安全系統(tǒng)車輛內(nèi)，使用圖像傳感器來完成場景觀察或場景處理。

圖1 汽車應用中的CMOS圖像傳感器

場景觀察

通常在視頻顯示器上輸出的場景觀察應用包括后視攝像頭、多攝像頭360度視野、輔助停車、替代后視鏡、夜視和后排乘客監(jiān)視。在這些應用中，關(guān)鍵的圖像傳感器要求包括出色的低光照性能、WDR和低功耗工作，同時滿足汽車質(zhì)量標準要求，在大批量生產(chǎn)下具有低的單位成本。

Aptina imaging公司即是CMOS圖像傳感器供應商的典范，面向場景觀察應用提供全集成式成像解決方案。例如：專為汽車場景觀察系統(tǒng)而設計的VGA系統(tǒng)級芯片(MT9V128和MT9V129)，以及用于下一代視覺攝像頭的先進百萬像素(MT9M024)解決方案。

場景處理

在場景處理應用中，處理單元使用成像器的輸出來發(fā)送警報或做出有關(guān)車輛運行的決策，包括車道偏離警示、交通標志檢測、下雨檢測、前燈調(diào)暗和盲點檢測。

使用這些智能化安全系統(tǒng)，處理計算機接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，做出決定，并向車輛子系統(tǒng)發(fā)送指令，以防止發(fā)生事故、減輕事故的嚴重程度或者保護車主。例如處理計算機可能使用來自圖像傳感器的數(shù)據(jù)，確定即將發(fā)生的碰撞，并向車輛子系統(tǒng)發(fā)出指令以采取剎車措施。

微處理器和圖像傳感器方面的技術(shù)進步使得智能化安全系統(tǒng)成為現(xiàn)實。隨著技術(shù)進步的速度加快，集成更多智能性的圖像傳感器將成為被動和主動型安全系統(tǒng)的組成部分。

圖2 多攝像頭360度/環(huán)繞視覺系統(tǒng)拓撲

汽車安全性的未來支持

新興的汽車攝像頭安全應用正在以驚人的速度增長，這些應用的配售率一直在上升。地區(qū)性標準、交通狀況以及駕駛者偏好決定了可用的功能。例如在美國銷售的汽車具有后視攝像頭、車道偏離警示和360度環(huán)繞視覺功能，而歐洲的駕駛者除了360度環(huán)繞視覺攝像頭外，還能夠享有后視攝像頭、車道偏離警示、自動遠光控制、夜視和交通標志識別功能，每輛車需要多達八個或者更多的攝像頭。

由于每輛車的功能和攝像頭數(shù)量都在增加，提供集成新功能和新接口的靈活性，對于圖像傳感器的制造商而言是十分重要的。無論是在攝像頭模塊內(nèi)采用協(xié)同芯片方式，或者在電子控制單元(ECU)內(nèi)，最好的辦法是使傳感器和圖像傳感器處理ISP功能分開。

圖像傳感器制造廠商正在努力提高分辨率，從VGA到百萬像素。更高的分辨率可以獲得更清晰的街角和邊緣。當然也要控制系統(tǒng)的功耗和成本，最大限度地降低攝像頭模塊的功耗，同時可以獲得最佳的圖像質(zhì)量。一種降低成本的方法是使用可用于場景觀察和場景處理兩種應用的傳感器。這就要求根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口和應用狀況，在主要針對顯示的場景觀察和發(fā)生在ECU中的場景處理之間復用傳感器的輸出。Aptina imaging公司開發(fā)了解決這些難題的方法，通過提供能夠用于攝像頭模塊和ECU的百萬像素傳感器以及協(xié)同芯片的解決方案，同時實現(xiàn)了更低的功耗和出色的靈活性。

結(jié)論

汽車業(yè)在生產(chǎn)行駛更安全的車輛方面繼續(xù)承受越來越大的壓力。如今，攝像頭視覺系統(tǒng)已成為開發(fā)更先進安全系統(tǒng)的關(guān)鍵。在這些系統(tǒng)中，CMOS圖像傳感器不僅能夠滿足WDR和低光照性能要求，還可提供對于價格敏感的汽車市場至關(guān)重要的規(guī)模經(jīng)濟效益，有助于該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顯著增長。