CMOS 圖像傳感器為自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供視覺(jué)感知

要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)，需要整合來(lái)自多種傳感器的信息，其中攝像頭的信息可能是最重要的。這些攝像頭必須能夠在各種條件下連續(xù)捕捉最微小的細(xì)節(jié)，以確保車(chē)輛乘客和其他道路使用者的安全。本文將探討在選擇圖像傳感器時(shí)需要注意的關(guān)鍵特性，以便為自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供所需的出色功能組合。

圖 1.圖像傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的重要組成部分

圖像傳感器負(fù)責(zé)將光子轉(zhuǎn)化為電子，然后存儲(chǔ)為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。如今，圖像傳感器廣泛應(yīng)用于各種攝像頭視覺(jué)應(yīng)用，包括智能工廠、醫(yī)學(xué)成像和汽車(chē)領(lǐng)域。圖像傳感器的選擇取決于給定應(yīng)用所需的性能水平。在決定使用哪種圖像傳感器時(shí)，首先需要了解所需的幀率、預(yù)期的照明條件和所需的系統(tǒng)容限，但如果缺乏視覺(jué)系統(tǒng)方面的工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)，可能會(huì)讓這個(gè)過(guò)程變得艱巨。好在有幾種標(biāo)準(zhǔn)可以用來(lái)比較不同圖像傳感器的性能。

傳感器分辨率和靈敏度

在測(cè)量精度至關(guān)重要的應(yīng)用中，傳感器分辨率是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)樗鼪Q定了捕捉圖像的感光表面行和列上的像素?cái)?shù)量。所需的最小像素?cái)?shù)量取決于圖像中需要檢測(cè)的最小特征。雖然理論上每個(gè)維度只需 2 個(gè)像素即可解析物體的單個(gè)特征，但對(duì)比度不足和圖像噪聲意味著實(shí)際應(yīng)用中至少需要 4 或 5 個(gè)重疊像素，才能完全解析一個(gè)特征。

靈敏度衡量傳感器將光子轉(zhuǎn)化為電子的效率，在幾乎所有應(yīng)用中都很重要。它衡量傳感器識(shí)別可用圖像所需的時(shí)間和照度（照明）。靈敏度還受到傳感器噪聲的影響，因此信噪比 (SNR) 是一項(xiàng)重要指標(biāo)。具有高信噪比的傳感器可在低光條件下提供更高質(zhì)量的圖像。靈敏度在監(jiān)控和醫(yī)療應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)檫@些應(yīng)用即使在低光條件下也需要高質(zhì)量的圖像。雖然圖像傳感器資料手冊(cè)提供了靈敏度指標(biāo)，但有時(shí)很難比較不同制造商生產(chǎn)的傳感器的靈敏度。自動(dòng)駕駛汽車(chē)即使在低光（近乎黑暗）的條件下，也需要高水平的細(xì)節(jié)，因此在選擇圖像傳感器時(shí)，必須仔細(xì)考慮分辨率和靈敏度這兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

動(dòng)態(tài)范圍和幀率

動(dòng)態(tài)范圍是指一個(gè)像素的最小（噪聲）信號(hào)與其最大阱容之間的比值，它定義了圖像中存在多少不同亮度級(jí)別。在具有極端光照條件的應(yīng)用中，這是一個(gè)特別重要的特性。動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)基于歐洲機(jī)器視覺(jué)協(xié)會(huì) (EMVA)1288 標(biāo)準(zhǔn)，并以分貝 (dB) 為單位，因此可以輕松地根據(jù)大多數(shù)傳感器資料手冊(cè)進(jìn)行比較。

圖 2：右側(cè)圖像具有更高的動(dòng)態(tài)范圍

幀率是傳感器的速度指標(biāo)，以每秒讀取的圖像（幀）數(shù) (fps) 來(lái)衡量。在捕捉快速移動(dòng)物體的應(yīng)用中，高幀率非常重要，因?yàn)樾枰^短的曝光時(shí)間，以防止出現(xiàn)模糊和減少運(yùn)動(dòng)偽影。隨著傳感器像素?cái)?shù)量增加，可實(shí)現(xiàn)的最大幀率會(huì)降低。例如，使用低質(zhì)量的視頻圖形陣列 (VGA) 圖像傳感器可以實(shí)現(xiàn)更高的幀率，而使用全分辨率 2000 萬(wàn)像素傳感器則無(wú)法達(dá)到同樣的效果。支持“感興趣區(qū)域”(ROI) 的傳感器可以將高幀率與高分辨率結(jié)合起來(lái)。這類(lèi)傳感器會(huì)確定圖像中要進(jìn)行處理的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，而忽略圖像的其他所有區(qū)域。這有效降低了整體圖像分辨率，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的幀率。與標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)一樣，自動(dòng)駕駛車(chē)輛在高速行駛過(guò)程中會(huì)遇到各種光照條件，因此在選擇圖像傳感器時(shí)，高動(dòng)態(tài)范圍和高幀率是至關(guān)重要的特性。

運(yùn)動(dòng)與色彩

CMOS 圖像傳感器使用的兩種讀出方法是卷簾快門(mén)和全局快門(mén)。卷簾快門(mén)法在曝光時(shí)逐行讀出傳感器的像素，因此是一種非常快速的技術(shù)。與使用全局快門(mén)的傳感器相比，它每個(gè)像素使用的晶體管數(shù)量更少、噪聲更小、靈敏度更高，且成本更低。建議在需要高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用中使用卷簾快門(mén)傳感器。在全局快門(mén)讀出方法中，每個(gè)像素會(huì)同時(shí)曝光，因此像素行之間沒(méi)有捕捉延遲。然而，這種方法既昂貴又難以實(shí)現(xiàn)。

在測(cè)量記錄和存在檢測(cè)等應(yīng)用中，可以接受采用黑白圖像傳感器，但現(xiàn)在許多應(yīng)用都需要彩色圖像。不過(guò)，黑白傳感器也具有一些優(yōu)勢(shì)。為了使傳感器提供彩色圖像，需要在像素級(jí)別以拜爾模式排列 RGB 濾光片。不過(guò)，拜耳色彩插值會(huì)導(dǎo)致細(xì)節(jié)和整體測(cè)量精度降低。因此，只有在應(yīng)用需要色彩信息時(shí)，才需要使用彩色傳感器。顯然，自動(dòng)駕駛汽車(chē)應(yīng)用需要捕捉彩色圖像并使用卷簾快門(mén)傳感器。

像素大小

有一種誤解是，像素越大，圖像質(zhì)量就越好。雖然較大的像素有更多面積可用于收集光線，但并不意味著可以獲得更高質(zhì)量的圖像。需要注意的是，分辨率和像素噪聲指標(biāo)等因素在決定圖像質(zhì)量方面也起著重要作用。較小的像素往往具有較低的暗信號(hào)不均勻性 (DSNU)；在較高溫度下，暗信號(hào)不均勻性會(huì)限制低光性能。在某些情況下，像素較小的傳感器性能會(huì)優(yōu)于像素較大的傳感器。在設(shè)計(jì)攝像頭系統(tǒng)時(shí)，必須考慮在速度、靈敏度和圖像質(zhì)量特性之間取得良好的平衡，以實(shí)現(xiàn)出色的性能。

CMOS 傳感器解決方案

Hyperlux 傳感器系列是安森美推出的第二代超級(jí)曝光像素技術(shù)平臺(tái)，在 300 萬(wàn)像素至 800 萬(wàn)像素及更高分辨率的汽車(chē)成像應(yīng)用中性能出色。憑借超過(guò) 120 dB 的無(wú)閃爍 (FF) 單次曝光和 150 dB 的超高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 與 LED 閃爍消除 (LFM) 技術(shù)，該系列傳感器能夠在汽車(chē)應(yīng)用溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的圖像質(zhì)量和動(dòng)態(tài)范圍，無(wú)需在不同光照條件下更改設(shè)置，從而減少了延遲并提高了安全性。該系列 2.1 μm 圖像傳感器包括智能 ROI、像素合并 (binning)、陣列框選 (windowing) 和雙輸出等靈活功能。這些功能可以同時(shí)輸出不同分辨率 (ROI) 和不同積分時(shí)間的數(shù)據(jù)等靈活的數(shù)據(jù)格式。該傳感器專(zhuān)為 ASIL-D 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其精密的實(shí)時(shí)安全機(jī)制和故障檢測(cè)功能有助于實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)。

了解是選擇的關(guān)鍵

本文介紹了在為自動(dòng)駕駛汽車(chē)應(yīng)用選擇 CMOS 圖像傳感器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵特性，包括分辨率、靈敏度、速度、動(dòng)態(tài)范圍、運(yùn)動(dòng)和色彩。安森美 Hyperlux 圖像傳感器提供了上述各項(xiàng)特性的出色組合，非常適合各種汽車(chē)應(yīng)用。