汽車(chē)圖像傳感器在提高行車(chē)安全和駕乘體驗(yàn)方面的應(yīng)用

近年來(lái)， 在政府對(duì)汽車(chē)安全法令的貫徹和實(shí)施、消費(fèi)者駕乘體驗(yàn)及自動(dòng)駕駛的趨勢(shì)推動(dòng)下，汽車(chē)圖像傳感器領(lǐng)域呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。汽車(chē)圖像傳感有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，具有卓越性能和先進(jìn)的圖像處理能力的圖像傳感器在提高行車(chē)安全的同時(shí)還提升用戶(hù)駕乘體驗(yàn)，成為近年來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域的炙手可熱的技術(shù)。預(yù)測(cè)顯示，2014-2018年間汽車(chē)CMOS傳感器市場(chǎng)的收入年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到28%。

汽車(chē)圖像傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域

汽車(chē)圖像傳感器的應(yīng)用非常廣泛，包括用于視覺(jué)應(yīng)用如倒車(chē)影像、前視、后視、俯視、全景泊車(chē)影像、車(chē)鏡取代，用于車(chē)艙內(nèi)如乘客監(jiān)控、疲勞駕駛監(jiān)測(cè)、儀表盤(pán)控制、行車(chē)記錄儀(DVR)、氣囊，用于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)如正向碰撞警告、車(chē)道偏離警告、自動(dòng)遠(yuǎn)光燈控制、交通信號(hào)識(shí)別、行人檢測(cè)、自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測(cè)、夜視等等。

影響成像品質(zhì)的關(guān)鍵性能

微光性能、動(dòng)態(tài)范圍及圖像信息處理能力是影響成像品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

1.微光性能是籌碼

微光性能對(duì)于汽車(chē)影像系統(tǒng)是相當(dāng)重要的，卓越的微光性能可提高在夜間等光線(xiàn)很暗的情況的行車(chē)安全。圖像傳感器廠商都以“在暗處能看見(jiàn)”為目標(biāo)。

2.高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)

HDR是汽車(chē)影像系統(tǒng)應(yīng)用的另一個(gè)重要特性，確保攝像機(jī)可在寬范圍的光線(xiàn) 、黑暗和高光照對(duì)比情況下清楚地呈現(xiàn)場(chǎng)景細(xì)節(jié)，提高圖像信息的精確度從而提升安全性。

3.廣角魚(yú)眼畸變校正(DEWARP)

廣角魚(yú)眼鏡頭用于車(chē)載影像具有寬廣視野的優(yōu)勢(shì)，但采集到的圖像信息會(huì)產(chǎn)生一定程度的失真，采用DEWARP技術(shù)可對(duì)廣角魚(yú)眼鏡頭所產(chǎn)生的視頻圖像失真進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，將圖像復(fù)原展平。

4.圖像疊加

圖像疊加指通過(guò)圖像傳感器與圖像處理輔助芯片結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)圖像的延伸、縮放、右視、兩板左/右視、三聯(lián)式畫(huà)面及倒車(chē)動(dòng)態(tài)輔助線(xiàn)。圖像疊加功能可以更好地輔助駕駛員看清周?chē)h(huán)境，減少事故率。

安森美半導(dǎo)體的汽車(chē)圖像傳感器方案

自2004年推出全球首款汽車(chē)CMOS圖像傳感器以來(lái)，安森美半導(dǎo)體為汽車(chē)行業(yè)提供專(zhuān)用成像方案已有超過(guò)10年的經(jīng)驗(yàn)，已成為全球汽車(chē)應(yīng)用圖像傳感器的翹楚，市占占整個(gè)汽車(chē)傳感器市場(chǎng)的46%，用于 ADAS的圖像傳感器市占率為70%，在后視影像領(lǐng)域及ADAS領(lǐng)域均為市場(chǎng)第一;從品質(zhì)和性能方面來(lái)講，安森美半導(dǎo)體的汽車(chē)圖像傳感器完全符合AEC-Q100，并提供卓越的微光性能、單芯片多重曝光的高動(dòng)態(tài)范圍(HDR，>120 dB)，以及汽車(chē)級(jí)應(yīng)用優(yōu)化如魚(yú)眼畸變校正和圖像疊加，并于2015年推出全球首款支持ASIL的(汽車(chē)安全完整性等級(jí))圖像傳感器。針對(duì)某些應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體還提供具有卓越性能的全局快門(mén)影像傳感器，如用于車(chē)艙疲勞檢測(cè)應(yīng)用的近紅外(NIR)方案。為配合市場(chǎng)朝高清趨勢(shì)的邁進(jìn)，安森美半導(dǎo)體推出大量100萬(wàn)像素方案，未來(lái)還將開(kāi)發(fā)更多1080p傳感器。

圖1：汽車(chē)圖像傳感器應(yīng)用和安森美半導(dǎo)體市場(chǎng)地位

ASX344/340/350AT 是用于倒車(chē)影像的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，在單芯片上集成圖像信號(hào)處理器，增強(qiáng)的像素性能提供微光條件下的更高能見(jiàn)度，支持高達(dá)4層的圖像疊加以向顯示系統(tǒng)提供更多的倒車(chē)信息，支持?jǐn)?shù)字縮放和平移，并附加光學(xué)中心點(diǎn)矯正功能，這可為客戶(hù)提供相機(jī)組裝生產(chǎn)后鏡頭中心點(diǎn)矯正功能，從而節(jié)省成本。這三款圖像傳感器都完全通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證，并具備-40°C 至105°C的寬工作溫度范圍，它們的不同之處在于：ASX344AT還集成魚(yú)眼畸變校正功能和提供UART控制接口，定位為“高性能”的方案;ASX350AT的光學(xué)格式為1/5英寸，不同于ASX344/340AT的1/4英寸，定位為“高性?xún)r(jià)比”的方案;而ASX340AT定位為“主流”方案。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)目標(biāo)客戶(hù)的具體需求選擇有針對(duì)性的方案。

表1： ASX344/340/350AT 具體規(guī)格

表2：ASX344/340/350AT配置選擇

ASX344AT的魚(yú)眼畸變校正功能提供180o更廣的場(chǎng)景覆蓋，傳感器動(dòng)態(tài)范圍體現(xiàn)出良好的DR-Pix 像素技術(shù)，無(wú)論在白天還是夜間都較未經(jīng)魚(yú)眼校正的鏡頭更具安全優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，未經(jīng)魚(yú)眼校正的鏡頭沒(méi)有捕捉到小黃人的圖像信息，而經(jīng)魚(yú)眼校正后，駕駛員可從顯示器看到車(chē)后的兩個(gè)小黃人，從而避免倒車(chē)時(shí)的安全隱患。

圖2：ASX344AT魚(yú)眼畸變校正示例(左：白天;右：夜間)

ASX34xAT系列在白天(典型情況為100-200 lux明亮的光)和夜晚(典型情況為汽車(chē)倒車(chē)攝像頭在夜晚約10 lux使用剎車(chē)燈和倒車(chē)燈)都較同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)器件提供更好的色彩飽和度和對(duì)比度，如圖2紅圈所示，在白天180 lux的光照條件下，競(jìng)爭(zhēng)器件采集到的圖像過(guò)度銳化，且色彩邊界有灰斑;在夜晚微光9.5 lux的光照條件下，競(jìng)爭(zhēng)器件采集到的圖像過(guò)度銳化，且有更多的噪聲。

圖3：ASX34x與競(jìng)爭(zhēng)器件的成像比較

當(dāng)現(xiàn)有ADAS和視覺(jué)應(yīng)用融合， ASIL將是用于新系統(tǒng)的合規(guī)性和適用性的參考點(diǎn)，ASIL B級(jí)合規(guī)是當(dāng)前ADAS設(shè)計(jì)師的目標(biāo)。安森美半導(dǎo)體推出全球首款支持ASIL B的230萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器AR0231AT。該器件采用減少LED閃爍 (LFM) 的突破性 技術(shù)，為ADAS應(yīng)用確立了一個(gè)新基準(zhǔn)。LFM技術(shù)消除交通信號(hào)燈和汽車(chē)LED照明的高頻LED閃爍，令交通信號(hào)閱讀算法能于所有光照條件下工作。AR0231AT具有1/2.7英寸(6.82 mm)光學(xué)格式和1928(水平) x 1208(垂直)有源像素陣列。它采用最新的3.0微米背照式(BSI)像素(背照式傳感器通常提供較前照式傳感器更高的靈敏度)及安森美半導(dǎo)體的DR-Pix™技術(shù)，提供雙轉(zhuǎn)換增益以在所有光照條件下提升性能。它以線(xiàn)性、HDR或LFM模式捕獲圖像，并提供模式間的幀到幀情境切換。AR0231AT提供達(dá)4重曝光的HDR，以出色的噪聲性能捕獲超過(guò)120 dB的動(dòng)態(tài)范圍，能同步支持多個(gè)攝相機(jī)，以易于在汽車(chē)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，和通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的雙線(xiàn)串行接口實(shí)現(xiàn)用戶(hù)可編程性。它還有多個(gè)數(shù)據(jù)接口，包括MIPI(移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口)、并行和HiSPi(高速串行像素接口)。其它關(guān)鍵特性還包括可選自動(dòng)化或用戶(hù)控制的黑電平控制，支持?jǐn)U頻時(shí)鐘輸入和提供多色濾波陣列選擇。

針對(duì)具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用如駕駛員監(jiān)控，安森美半導(dǎo)體推出行業(yè)首款全局快門(mén)傳感器AR0135AT，較前代產(chǎn)品低10倍的暗電流和高4倍的快門(mén)效能。

此外，安森美半導(dǎo)體還提供先進(jìn)的圖像協(xié)處理器用于總系統(tǒng)方案，如AP0200AT 圖像協(xié)處理器經(jīng)優(yōu)化用于后視攝像機(jī)并提供以太網(wǎng)輸出，集成支持鏡頭畸變校正和魚(yú)眼矯正的空間轉(zhuǎn)換引擎(STE)，和精密的疊加圖形引擎;AP0201AT 圖像協(xié)處理器也提供以太網(wǎng)輸出，針對(duì)基于以太網(wǎng)的全景倒車(chē)攝像;AP0202AT 圖像協(xié)處理器針對(duì)數(shù)字全景倒車(chē)攝像，采用24位并行輸出;AP0102AT 圖像協(xié)處理器針對(duì)100萬(wàn)像素720p后視攝像，含STE和疊加圖形引擎。這些協(xié)處理器都提供符合汽車(chē)安全完整性等級(jí)(ASIL)A級(jí)和B級(jí)的功能安全特性。AP020x系列可與現(xiàn)有的圖像傳感器如100萬(wàn)像素AR0140AT、 AR0132AT 和 AR0136AT及新的200萬(wàn)像素1080p傳感器AR0230AT結(jié)合協(xié)調(diào)使用。

結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)安裝攝像機(jī)可消除傳統(tǒng)車(chē)鏡的視線(xiàn)盲區(qū)，降低交通事故率，也是迅猛發(fā)展的車(chē)聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，將會(huì)逐步在實(shí)踐中得到推廣和應(yīng)用，甚至成為汽車(chē)標(biāo)配。圖像傳感器是其背后功臣。安森美半導(dǎo)體是全球汽車(chē)圖像傳感器的表表者，產(chǎn)品和方案陣容遍及各細(xì)分領(lǐng)域，包括視覺(jué)和ADAS應(yīng)用，提供高動(dòng)態(tài)范圍、出色的微光靈敏度，和寬溫度范圍的卓越性能，同時(shí)針對(duì)新興領(lǐng)域如車(chē)艙內(nèi)檢測(cè)提供卓越性能的全局快門(mén)方案，完全符合AEC-Q100，并配合市場(chǎng)趨勢(shì)和客戶(hù)需求，持續(xù)推動(dòng)新品開(kāi)發(fā)，向更高分辨率、增加更多接口和符合ASIL的方向發(fā)展。