攻克汽車成像演進難點

隨著車輛從主要由先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)支持和駕駛員控制向全自動駕駛的方向發(fā)展，圖像傳感器的性能變得更關(guān)鍵。尤其是感知周圍環(huán)境以保證所有道路使用者安全的圖像傳感器。

隨著車輛從主要由先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)支持和駕駛員控制向全自動駕駛的方向發(fā)展，圖像傳感器的性能變得更關(guān)鍵。尤其是感知周圍環(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，傳感器的性能會下降，路況變得具有挑戰(zhàn)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駕駛。這篇技術(shù)文章將探討圖像傳感器如何發(fā)展以應(yīng)對自動駕駛的挑戰(zhàn)，以最新的技術(shù)、符合需求的價位提供行業(yè)要求的性能。

隨著車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?cè)蝿?wù)，它們需要能感知周圍環(huán)境。雖然車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。

部署用于汽車環(huán)境的圖像傳感器有許多挑戰(zhàn)。光線條件可能會產(chǎn)生極端的對比度和潮濕路面的眩光，而天氣條件包括雨、霧和雪會降低能見度。交通信號燈、路標(biāo)、車輛前大燈和尾燈通常使用LED照明。LED照明的一個巨大優(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，但圖像傳感器會將其呈現(xiàn)為閃爍的圖像流。

汽車視覺的主要作用之一是檢測車輛路徑上的物體。車輛能看到越遠的物體，就有越長的時間做決策和反應(yīng)。因此需要高分辨率和高圖像質(zhì)量來辨別遠處的物體。

隨著在車輛整個系統(tǒng)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(jiān)控乘客座艙。有些汽車有10多個圖像攝像頭。

從輔助駕駛向自動駕駛發(fā)展

美國汽車工程師學(xué)會(SAE)定義了一個6級模型圖，說明了從非智能車輛到所有駕駛條件下全自動駕駛的車輛發(fā)展，如圖1所示。

目前，許多車輛的自動化水平是L2級，其中包括最基本的控制，如糾正高速公路上的車輛漂移。向L3級遷移意義重大，因為L3級對車輛移動的控制更自動化。圖像傳感器將需要提供800萬像素(MP)分辨率來支持這——比現(xiàn)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說是足夠的，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)視感知和盲點攝像頭也將分辨率提高到300萬像素甚至800萬像素，并同時含LED閃爍抑制功能和高動態(tài)范圍(HDR)。

圖一 提高汽車自動化水平的SAE模型

另外，非拜耳濾光片已越來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導(dǎo)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，將像素大小減少到2.1 μm將使800萬像素傳感器的成本大幅降低，也就是說像素大小為2.1 μm的800萬像素傳感器與像素大小為4.2 μm或3 μm的800萬像素傳感器相比，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節(jié)省成本

因此有人可能會認為，在關(guān)鍵的性能參數(shù)方面如微光性能、信噪比(SNR)或HDR會有一些折衷。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(biāo)(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。參見圖3，了解SNR1和SNR3指標(biāo)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(yīng)商的3.0 μm 300萬像素或500萬像素傳感器相比，安森美的2.1 μm 800萬像素傳感器方案以相當(dāng)或更低的成本擴大了探測距離。

圖四 安森美的830萬像素傳感器比競爭對手的3 μm傳感器的探測距離更遠

在夜間探測僅由車燈照亮的石頭這一具有挑戰(zhàn)性的例子中，3 μm的300萬像素和500萬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(dāng)于系統(tǒng)有更多的反應(yīng)時間，有助于大大提高安全性。

圖像質(zhì)量和更高的汽車溫度

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入每個像素，從而改善微光性能。這使傳感器在具挑戰(zhàn)性的條件下能夠更好地“看”到，同時使捕獲的原始物體圖像色彩準(zhǔn)確，處理成高質(zhì)量的圖像。

SNR是所有圖像傳感器的一個重要參數(shù)，因為它與系統(tǒng)在傳感器生成的圖像中檢測物體的能力有關(guān)。在高溫下，一個典型的3 μm分體二極管傳感器的SNR會下降到20 dB左右。在這個水平上，噪聲是明顯可見的，而且物體檢測也更困難。一個可比的安森美傳感器的SNR水平超過30 dB。在這個水平上，噪聲明顯減少，物體檢測也容易得多，從而為視覺應(yīng)用帶來了視覺上更愉悅的圖像。

高溫對圖像傳感器來說始終是個挑戰(zhàn)，可能大大降低圖像質(zhì)量和性能。這在汽車應(yīng)用中尤其如此，傳感器在其80%以上的壽命期內(nèi)都工作在80 ℃或更高的結(jié)溫下——由于處于陽光直射下，并被設(shè)計在小的封閉空間內(nèi)，這空間內(nèi)還有其他電子器件在運行中產(chǎn)生熱量。

即使在125℃的結(jié)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現(xiàn)精確的物體檢測。

現(xiàn)代2.1 μm汽車HDR LFM圖像傳感器

安森美最新的汽車圖像傳感器提供3840x2160(830萬像素)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，無閃爍時超過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(dāng)或更好。圖5說明了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，突出了更好的動態(tài)范圍，捕獲到更好的細節(jié)和交通信號燈的真實顏色。在結(jié)溫(Tj)高達100 ℃時，過渡SNR超過30 dB，即使在極端溫度下(Tj=125 ℃)，SNR 也超過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(jié)

先進的自主車輛越來越依賴高性能的成像器，使其能夠感知周圍的環(huán)境。雖然提高圖像傳感器的性能是可以實現(xiàn)的，但在不增加成本的情況下這樣做是具有挑戰(zhàn)性的。

安森美的成像器件設(shè)計表明，縮小像素大小的800萬像素傳感器的價格與目前200萬像素4.2 μm傳感器和(400-500)萬像素3 μm傳感器的價格相近，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。

高溫始終是個挑戰(zhàn)，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輛安全和向更高自主性發(fā)展至關(guān)重要。

（來源：安森美半導(dǎo)體，作者：安森美汽車方案分部(ASD)技術(shù)和產(chǎn)品戰(zhàn)略高級經(jīng)理Sergey Velichko）