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電動車紛紛走向傳感器融合,圖像傳感器依然是yyds

來源:電子發燒友網 ? 作者:周凱揚 ? 2021-09-20 10:10 ? 次閱讀
當前的自動駕駛和輔助駕駛系統中,激光雷達和毫米波雷達等傳感器已經屢見不鮮,但圖像傳感器主攻的攝像頭視覺系統依然未被任何一家車廠拋棄。反觀特斯拉,更是一直堅持純視覺方案。那么圖像傳感器究竟有何優勢,又是如何解決自動駕駛帶來的挑戰的?

不同位置的汽車圖像傳感器
車身上不同位置的圖像傳感器 / 安森美

單從傳感器數量上來看,圖像傳感器無疑是ADAS和AD應用中用在車身上最多的傳感器,遍布車身各個位置。但在像素、動態范圍等參數上,這些圖像傳感器往往不會統一,那么它們的位置是如何決定其配置的呢?安森美(onsemi)中國汽車市場現場應用經理陳力答道,遠距離攝像頭例如前視/后視,要求高靈敏度,高動態范圍,抑制LED閃爍和高像素數,以滿足長距離小障礙物探測需要,目前常用8百萬像素;而近距離攝像頭例如環視,要求高靈敏度,中等動態范圍和中等像素數,主要探測車身周圍的場景,目前常用到2~3百萬像素;如果是抓拍高速運動場景的攝像頭,則需要考慮采用全局快門圖像傳感器。
安森美中國汽車市場現場應用經理陳力 / 安森美

除了車外用于ADAS和AD的圖像傳感器外,用于環視和監控的傳統攝像頭應用也要用到圖像傳感器,但它們的參數需求同樣存在差異。環視攝像頭為人眼視覺+低速應用,ADAS是機器視覺+高速應用。后者強調傳感器的功能安全,低照性能,動態范圍,空間解析力和抗LED閃爍功能要求。

車內監控也分駕駛員監控(DMS)和乘客監控(OMS),出于安全考慮,歐盟和中國均出臺了相關政策,強制要求部分商用車型中裝配DMS系統。OMS系統雖然面世不算久,但在安全帶檢測、車內乘客滯留提醒等應用上同樣起到至關重要的作用。這兩大車內監控系統中,DMS側重于機器視覺,需要時刻關注駕駛員的狀態,因此往往用到黑白的全局快門圖像傳感器。而OMS則側重于記錄功能,可用彩色或RGB-IR的滾動快門傳感器。

LED閃爍問題如何抑制

汽車圖像傳感器最常見的挑戰之一就是LED閃爍抑制(LFM),就像人眼對于LED屏幕的閃爍的感知一樣,如今的手機常常用到DC調光和PWM的方案。而汽車圖像傳感器就像是車上的眼睛,對車外的LED光線同樣會有所感應,那么汽車圖像傳感器又是如何解決LFM問題,改變車燈的頻率有沒有可能改善LED閃爍呢?
有無LFM的對比 / 安森美

陳力給出了這一問題的解釋:采用DC調光方式的LED沒有閃爍的問題,此時LED一直常亮,僅通過調幅來調節亮度,整個過程中燈并沒有熄滅的狀態; 而另外一種更常見的LED燈是PWM調頻驅動方式,即以一種一明一暗的光脈沖方式在照明,脈沖閃爍頻率從幾十到幾百赫茲都有可能,這種閃爍是照明場景客觀存在的現象,雖然人眼通常看不到,但能被圖像傳感器所感知。從某種角度來說,圖像傳感器輸出的結果更客觀真實,而眼睛反倒欺騙了你。光脈沖的閃爍頻率取決于PWM頻率,其亮度取決于占空比,不同LED燈通常頻率也不同。抑制LED閃爍常見的方法是增大曝光時間,曝光時間越長,每行像素能抓到更多光脈沖,從而削弱了閃爍的強度,但曝光時間越長,帶來的運動模糊也越明顯。同理,增加LED燈的頻率也可以減小LED閃爍,但LED燈頻率往往不可控,實際場景中,LED閃爍不僅僅出現在車燈上,環境中的LED照明都存在類似閃爍,例如信號燈,廣告燈等等。

高動態范圍(HDR)和超級曝光

動態范圍在汽車圖像傳感器上有著非常高的要求,真實世界場景下的動態范圍極端情況下可以達到140 dB,所以這類產品往往都要做到120 dB以上,目前傳統HDR采用的多重曝光合并方式會產生高速運動偽影的現象,這對ADAS應用中的算法提出了一定要求。
超級曝光像素與大小像素的對比 / 安森美

為了解決同時做到LFM和HDR又能保證成像質量的挑戰,安森美的Hayabusa系列汽車圖像傳感器采用了超級曝光像素的技術。通過擴展像素容量,可以做到長時間曝光捕捉脈沖光而不會過飽和,并將動態范圍擴展至線性像素容量的5倍。Hayabusa只需單次曝光就能在兼顧LFM的情況下實現95 dB的動態范圍。陳力提到,在多次曝光合并技術基礎上,傳統像素需要3次曝光來實現120 dB的動態范圍,而Hayabusa只需要兩次曝光合并就可以實現120 dB的動態范圍,大大改善了運動偽影問題。與大小像素技術相比,超級曝光沒有兩種像素結構帶來的巨大的光學設計挑戰,即邊緣像素性能急劇惡化和嚴重的像素間串擾,也不會因為校準和去噪而導致細節與分辨率的損失。

結語

面對其他高性能傳感器的競爭,圖像傳感器憑借其成本、大小等優勢依然牢牢占據著汽車市場。這一視覺方案憑借LFM和HDR等特性,以及超級曝光等技術的創新,依然在其弱項上進行突破,適配更多的駕駛場景。
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