【導讀】隨著(zhù)車(chē)輛從主要由先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)支持和駕駛員控制向全自動(dòng)駕駛的方向發(fā)展，圖像傳感器的性能變得更關(guān)鍵。尤其是感知周?chē)h(huán)境以保證所有道路使用者安全的圖像傳感器。
隨著(zhù)車(chē)輛從主要由先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)支持和駕駛員控制向全自動(dòng)駕駛的方向發(fā)展，圖像傳感器的性能變得更關(guān)鍵。尤其是感知周?chē)h(huán)境以保證所有道路使用者安全的圖像傳感器。
在不良的照明和高溫下，傳感器的性能會(huì )下降，路況變得具有挑戰性。因此，圖像傳感器必須在所有條件下提供出色的性能支持自動(dòng)駕駛。這篇技術(shù)文章將探討圖像傳感器如何發(fā)展以應對自動(dòng)駕駛的挑戰，以最新的技術(shù)、符合需求的價(jià)位提供行業(yè)要求的性能。
隨著(zhù)車(chē)輛從完全由駕駛員控制，到提供駕駛輔助，再到最終接管駕駛任務(wù)，它們需要能感知周?chē)h(huán)境。雖然車(chē)輛可使用幾種不同的傳感器模式，但由于圖像傳感器具有捕獲形狀、紋理和顏色的獨特能力，且成本相對較低，因此是最通用和最受歡迎的傳感器之一。
部署用于汽車(chē)環(huán)境的圖像傳感器有許多挑戰。光線(xiàn)條件可能會(huì )產(chǎn)生極端的對比度和潮濕路面的眩光，而天氣條件包括雨、霧和雪會(huì )降低能見(jiàn)度。交通信號燈、路標、車(chē)輛前大燈和尾燈通常使用LED照明。LED照明的一個(gè)巨大優(yōu)勢是它非常高效；但它通常是脈沖式的。雖然人眼看不到這脈沖，但圖像傳感器會(huì )將其呈現為閃爍的圖像流。
汽車(chē)視覺(jué)的主要作用之一是檢測車(chē)輛路徑上的物體。車(chē)輛能看到越遠的物體，就有越長(cháng)的時(shí)間做決策和反應。因此需要高分辨率和高圖像質(zhì)量來(lái)辨別遠處的物體。
隨著(zhù)在車(chē)輛整個(gè)系統中部署更多的圖像傳感器，成本至關(guān)重要——這些傳感器不僅用于前視，還提供360度環(huán)視和監控乘客座艙。有些汽車(chē)有10多個(gè)圖像攝像頭。
從輔助駕駛向自動(dòng)駕駛發(fā)展
美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )(SAE)定義了一個(gè)6級模型圖，說(shuō)明了從非智能車(chē)輛到所有駕駛條件下全自動(dòng)駕駛的車(chē)輛發(fā)展，如圖1所示。
目前，許多車(chē)輛的自動(dòng)化水平是L2級，其中包括最基本的控制，如糾正高速公路上的車(chē)輛漂移。向L3級遷移意義重大，因為L(cháng)3級對車(chē)輛移動(dòng)的控制更自動(dòng)化。圖像傳感器將需要提供800萬(wàn)像素(MP)分辨率來(lái)支持這——比現在通常使用的圖像傳感器增加了4倍。這對某些情況下的自主運行來(lái)說(shuō)是足夠的，例如在高速公路上。向L4級和L5級發(fā)展，圖像傳感器的分辨率將需要高得多，從而支持所有情況下的自主工作。
同樣，取決于用途，環(huán)視感知和盲點(diǎn)攝像頭也將分辨率提高到300萬(wàn)像素甚至800萬(wàn)像素，并同時(shí)含LED閃爍抑制功能和高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)。
圖一 提高汽車(chē)自動(dòng)化水平的SAE模型
另外，非拜耳濾光片已越來(lái)越多地取代了拜耳色彩濾光片陣列(CFA)，以改善微光下的工作，同時(shí)仍提供好的色彩性能。
像素大小
如果像素大小保持不變，提高傳感器的分辨率會(huì )導致成本大幅上升——目前像素大小從4.2微米(μm)降至3 μm。不過(guò)，將像素大小減少到2.1 μm將使800萬(wàn)像素傳感器的成本大幅降低，也就是說(shuō)像素大小為2.1 μm的800萬(wàn)像素傳感器與像素大小為4.2 μm或3 μm的800萬(wàn)像素傳感器相比，成本將低很多。相對成本比較如圖2所示。
圖二 減小的像素大小顯著(zhù)節省成本
因此有人可能會(huì )認為，在關(guān)鍵的性能參數方面如微光性能、信噪比(SNR)或HDR會(huì )有一些折衷。但情況并非如此。安森美(onsemi)的3.75 μm、3 μm和2.1 μm像素的傳感器，微光性能指標(SNR1和SNR3)基本相似。安森美的新的2.1 μm像素圖像傳感器的SNR和 HDR性能優(yōu)于3 μm像素圖像傳感器。參見(jiàn)圖3，了解SNR1和SNR3指標的相對比較。
圖三 減小的像素大小不影響微光性能
此外，與其他供應商的3.0 μm 300萬(wàn)像素或500萬(wàn)像素傳感器相比，安森美的2.1 μm 800萬(wàn)像素傳感器方案以相當或更低的成本擴大了探測距離。
圖四 安森美的830萬(wàn)像素傳感器比競爭對手的3 μm傳感器的探測距離更遠
在夜間探測僅由車(chē)燈照亮的石頭這一具有挑戰性的例子中，3 μm的300萬(wàn)像素和500萬(wàn)像素傳感器的探測距離分別為125米和150米。相比之下，安森美的傳感器達到了170米(圖4)。這延伸的距離相當于系統有更多的反應時(shí)間，有助于大大提高安全性。
圖像質(zhì)量和更高的汽車(chē)溫度
將色彩濾光片從拜耳式改為RYYCy或RCCB，并納入高質(zhì)量的HDR色彩管道，如Clarity+，可顯著(zhù)提高傳感器性能和圖像質(zhì)量。非拜耳色彩濾光片模式允許更多的光子進(jìn)入每個(gè)像素，從而改善微光性能。這使傳感器在具挑戰性的條件下能夠更好地“看”到，同時(shí)使捕獲的原始物體圖像色彩準確，處理成高質(zhì)量的圖像。
SNR是所有圖像傳感器的一個(gè)重要參數，因為它與系統在傳感器生成的圖像中檢測物體的能力有關(guān)。在高溫下，一個(gè)典型的3 μm分體二極管傳感器的SNR會(huì )下降到20 dB左右。在這個(gè)水平上，噪聲是明顯可見(jiàn)的，而且物體檢測也更困難。一個(gè)可比的安森美傳感器的SNR水平超過(guò)30 dB。在這個(gè)水平上，噪聲明顯減少，物體檢測也容易得多，從而為視覺(jué)應用帶來(lái)了視覺(jué)上更愉悅的圖像。
高溫對圖像傳感器來(lái)說(shuō)始終是個(gè)挑戰，可能大大降低圖像質(zhì)量和性能。這在汽車(chē)應用中尤其如此，傳感器在其80%以上的壽命期內都工作在80 ℃或更高的結溫下——由于處于陽(yáng)光直射下，并被設計在小的封閉空間內，這空間內還有其他電子器件在運行中產(chǎn)生熱量。
即使在125℃的結溫下，安森美2.1 μm像素大小的圖像傳感器在中高光照條件下也能達到25 dB以上的SNR性能，從而確保在所有工作條件下都能實(shí)現精確的物體檢測。
現代2.1 μm汽車(chē)HDR LFM圖像傳感器
安森美最新的汽車(chē)圖像傳感器提供3840x2160(830萬(wàn)像素)的分辨率，含最新一代2.1 μm超級曝光像素。該傳感器采用了真正的LED閃爍抑制(LFM)像素技術(shù)，可生成達155 dB的HDR圖像，無(wú)閃爍時(shí)超過(guò)110 dB。HDR 幀率可以達到60幀/秒(fps)，而將幀率降低到45 fps將使HDR從110 dB提高到145 dB以上。
圖五 安森美2.1 μm傳感器(左)和競爭對手的3 μm傳感器(右)圖像質(zhì)量對比(裁剪后）
關(guān)于微光性能，2.1 μm傳感器的性能與性能非常好的3 μm像素傳感器相當或更好。圖5說(shuō)明了2.1 μm傳感器與競爭對手的3 μm傳感器相比的HDR圖像質(zhì)量差異，突出了更好的動(dòng)態(tài)范圍，捕獲到更好的細節和交通信號燈的真實(shí)顏色。在結溫(Tj)高達100 ℃時(shí)，過(guò)渡SNR超過(guò)30 dB，即使在極端溫度下(Tj=125 ℃)，SNR 也超過(guò)25 dB。在所有條件下，該傳感器都能產(chǎn)生高色彩保真度的清晰圖像，這部分歸功于拜耳和非拜耳CFA技術(shù)所提供的范圍——RGGB、RCCB、RCCG和RYYCy。
總結
先進(jìn)的自主車(chē)輛越來(lái)越依賴(lài)高性能的成像器，使其能夠感知周?chē)沫h(huán)境。雖然提高圖像傳感器的性能是可以實(shí)現的，但在不增加成本的情況下這樣做是具有挑戰性的。
安森美的成像器件設計表明，縮小像素大小的800萬(wàn)像素傳感器的價(jià)格與目前200萬(wàn)像素4.2 μm傳感器和(400-500)萬(wàn)像素3 μm傳感器的價(jià)格相近，不影響微光性能的SNR和HDR。此外，采用非拜爾式CFA更增強了極為重要的微光性能。
高溫始終是個(gè)挑戰，傳感器被置于有限的空間里，這空間里還有發(fā)熱的器件，并暴露在陽(yáng)光下。安森美傳感器在高達125 ℃的溫度下可以提供出色的性能，確保在所有工作條件下都能捕獲到高質(zhì)量的圖像。
下一代圖像傳感器對于車(chē)輛安全和向更高自主性發(fā)展至關(guān)重要。
（來(lái)源：安森美半導體，作者：安森美汽車(chē)方案分部(ASD)技術(shù)和產(chǎn)品戰略高級經(jīng)理Sergey Velichko）
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