汽車圖像傳感器在提高行車安全和駕乘體驗方面的應用

　　- 摘自2016年6月【智能汽車會刊】“Change The World”欄目

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　　近年來， 在政府對汽車安全法令的貫徹和實施、消費者駕乘體驗及自動駕駛的趨勢推動下，汽車圖像傳感器領域呈爆發式增長。汽車圖像傳感有著廣泛的應用領域，具有卓越性能和先進的圖像處理能力的圖像傳感器在提高行車安全的同時還提升用戶駕乘體驗，成為近年來汽車領域的炙手可熱的技術。預測顯示，2014-2018年間汽車CMOS傳感器市場的收入年復合增長率(CAGR)將達到28%。

　　汽車圖像傳感器主要應用領域

　　汽車圖像傳感器的應用非常廣泛，包括用于視覺應用如倒車影像、前視、后視、俯視、全景泊車影像、車鏡取代，用于車艙內如乘客監控、疲勞駕駛監測、儀表盤控制、行車記錄儀(DVR)、氣囊，用于先進駕駛輔助系統(ADAS)如正向碰撞警告、車道偏離警告、自動遠光燈控制、交通信號識別、行人檢測、自適應巡航控制、盲點檢測、夜視等等。

　　影響成像品質的關鍵性能

　　微光性能、動態范圍及圖像信息處理能力是影響成像品質的關鍵因素。

　　1．微光性能是籌碼

　　微光性能對于汽車影像系統是相當重要的，卓越的微光性能可提高在夜間等光線很暗的情況的行車安全。圖像傳感器廠商都以“在暗處能看見”為目標。

　　2．高動態范圍(HDR)

　　HDR是汽車影像系統應用的另一個重要特性，確保攝像機可在寬范圍的光線 、黑暗和高光照對比情況下清楚地呈現場景細節，提高圖像信息的精確度從而提升安全性。

　　3．廣角魚眼畸變校正(DEWARP)

　　廣角魚眼鏡頭用于車載影像具有寬廣視野的優勢，但采集到的圖像信息會產生一定程度的失真，采用DEWARP技術可對廣角魚眼鏡頭所產生的視頻圖像失真進行實時校正，將圖像復原展平。

　　4．圖像疊加

　　圖像疊加指通過圖像傳感器與圖像處理輔助芯片結合使用，實現圖像的延伸、縮放、右視、兩板左/右視、三聯式畫面及倒車動態輔助線。圖像疊加功能可以更好地輔助駕駛員看清周圍環境，減少事故率。

　　安森美半導體的汽車圖像傳感器方案

　　自2004年推出全球首款汽車CMOS圖像傳感器以來，安森美半導體為汽車行業提供專用成像方案已有超過10年的經驗，已成為全球汽車應用圖像傳感器的翹楚，市占占整個汽車傳感器市場的46%，用于 ADAS的圖像傳感器市占率為70%，在后視影像領域及ADAS領域均為市場第一；從品質和性能方面來講，安森美半導體的汽車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態范圍(HDR，>120 dB)，以及汽車級應用優化如魚眼畸變校正和圖像疊加，并于2015年推出全球首款支持ASIL的(汽車安全完整性等級)圖像傳感器。針對某些應用，安森美半導體還提供具有卓越性能的全局快門影像傳感器，如用于車艙疲勞檢測應用的近紅外(NIR)方案。為配合市場朝高清趨勢的邁進，安森美半導體推出大量100萬像素方案，未來還將開發更多1080p傳感器。

圖1：汽車圖像傳感器應用和安森美半導體市場地位

　　ASX344/340/350AT 是用于倒車影像的系統級芯片(SoC)，在單芯片上集成圖像信號處理器，增強的像素性能提供微光條件下的更高能見度，支持高達4層的圖像疊加以向顯示系統提供更多的倒車信息，支持數字縮放和平移，并附加光學中心點矯正功能，這可為客戶提供相機組裝生產后鏡頭中心點矯正功能，從而節省成本。這三款圖像傳感器都完全通過AEC-Q100認證，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的光學格式為1/5英寸，不同于ASX344/340AT的1/4英寸，定位為“高性價比”的方案；而ASX340AT定位為“主流”方案。設計人員可根據目標客戶的具體需求選擇有針對性的方案。

表1： ASX344/340/350AT 具體規格

表2：ASX344/340/350AT配置選擇

　　ASX344AT的魚眼畸變校正功能提供180o更廣的場景覆蓋，傳感器動態范圍體現出良好的DR-Pix 像素技術，無論在白天還是夜間都較未經魚眼校正的鏡頭更具安全優勢。如圖1所示，未經魚眼校正的鏡頭沒有捕捉到小黃人的圖像信息，而經魚眼校正后，駕駛員可從顯示器看到車后的兩個小黃人，從而避免倒車時的安全隱患。

圖2：ASX344AT魚眼畸變校正示例(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(典型情況為汽車倒車攝像頭在夜晚約10 lux使用剎車燈和倒車燈)都較同類競爭器件提供更好的色彩飽和度和對比度，如圖2紅圈所示，在白天180 lux的光照條件下，競爭器件采集到的圖像過度銳化，且色彩邊界有灰斑；在夜晚微光9.5 lux的光照條件下，競爭器件采集到的圖像過度銳化，且有更多的噪聲。

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圖3：ASX34x與競爭器件的成像比較

　　當現有ADAS和視覺應用融合， ASIL將是用于新系統的合規性和適用性的參考點，ASIL B級合規是當前ADAS設計師的目標。安森美半導體推出全球首款支持ASIL B的230萬像素CMOS圖像傳感器AR0231AT。該器件采用減少LED閃爍 (LFM) 的突破性 技術，為ADAS應用確立了一個新基準。LFM技術消除交通信號燈和汽車LED照明的高頻LED閃爍，令交通信號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)及安森美半導體的DR-Pix?技術，提供雙轉換增益以在所有光照條件下提升性能。它以線性、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4重曝光的HDR，以出色的噪聲性能捕獲超過120 dB的動態范圍，能同步支持多個攝相機，以易于在汽車應用中實現多個傳感器節點，和通過一個簡單的雙線串行接口實現用戶可編程性。它還有多個數據接口，包括MIPI(移動產業處理器接口)、并行和HiSPi(高速串行像素接口)。其它關鍵特性還包括可選自動化或用戶控制的黑電平控制，支持擴頻時鐘輸入和提供多色濾波陣列選擇。

　　針對具挑戰性的應用如駕駛員監控，安森美半導體推出行業首款全局快門傳感器AR0135AT，較前代產品低10倍的暗電流和高4倍的快門效能。

　　此外，安森美半導體還提供先進的圖像協處理器用于總系統方案，如AP0200AT 圖像協處理器經優化用于后視攝像機并提供以太網輸出，集成支持鏡頭畸變校正和魚眼矯正的空間轉換引擎(STE)，和精密的疊加圖形引擎；AP0201AT 圖像協處理器也提供以太網輸出，針對基于以太網的全景倒車攝像；AP0202AT 圖像協處理器針對數字全景倒車攝像，采用24位并行輸出；AP0102AT 圖像協處理器針對100萬像素720p后視攝像，含STE和疊加圖形引擎。這些協處理器都提供符合汽車安全完整性等級(ASIL)A級和B級的功能安全特性。AP020x系列可與現有的圖像傳感器如100萬像素AR0140AT、 AR0132AT 和 AR0136AT及新的200萬像素1080p傳感器AR0230AT結合協調使用。

　　結語

　　汽車安裝攝像機可消除傳統車鏡的視線盲區，降低交通事故率，也是迅猛發展的車聯網的基礎，將會逐步在實踐中得到推廣和應用，甚至成為汽車標配。圖像傳感器是其背后功臣。安森美半導體是全球汽車圖像傳感器的表表者，產品和方案陣容遍及各細分領域，包括視覺和ADAS應用，提供高動態范圍、出色的微光靈敏度，和寬溫度范圍的卓越性能，同時針對新興領域如車艙內檢測提供卓越性能的全局快門方案，完全符合AEC-Q100，并配合市場趨勢和客戶需求，持續推動新品開發，向更高分辨率、增加更多接口和符合ASIL的方向發展。