汽车安全系统中的摄像头技术

admin

在上世纪60年代，汽车业将注意力转向寻找能够保证驾驶者和乘客安全的创新方法。结果如何呢？出现了缓冲方向盘和仪表板、座椅安全带，以及其后的安全气囊和电子稳定性控制系统。自那时起，汽车工程师便一直在探索保护行人、驾驶者和乘客安全的方法。因此，汽车业在提高安全性方面取得了巨大进步，从制动防抱死和多个安全气囊，以至后视摄像系统和先进的导航系统。
如今，汽车业继续受到来自政府、非政府组织以及消费者的压力，以期制造行驶更安全的车辆。例如，美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)提出，明确规定驾驶员在倒车时必须能够看见的车后方区域。预计在美国销售的乘用车将会全部采用这一提议，以便大幅减少由倒车事故造成的灾祸和伤亡，涉及儿童、残疾人、老年人以及其它行人。
因此，基于摄像头的视觉系统便成为实施这项提议的关键所在。美国国家公路交通安全管理局要求：2014年9月1日及其以后在美国制造的所有车辆必须带有后视系统。这一要求推动了摄像头解决方案的生产量增长，推动业界开发性能更高、分辨率更好的成像解决方案，并且推动了下一代安全应用和安全系统的发展。
面向新兴汽车市场的摄像头
在汽车行业，摄像头逐渐成为高级驾驶员辅助系统(ADDAS)的重要组成部分。这些摄像头用于多种用途，例如：交通标志识别、用于停车距离控制(PDC)和车道偏离警示系统(LDW)的后视系统。如今，许多新型车辆集成有数个摄像头，覆盖了汽车周围的所有区域，因而能够实现最优化的安全系统。
在这些先进的汽车摄像头安全系统中，增强的成像和感测能力开启了一个无限可能的世界。摄像头视觉系统采用远视场来补足长距离雷达，使用较宽视场来弥补短距雷达或超声波传感器的不足，使得驾驶员可以看到前后方的道路。因此，可提供另一组数据来确认所绘制的整体图片的精确性。例如，来自雷达和摄像头的支持数据能够大大增强决策的信心，如使用刹车系统等等。
表1：汽车摄像头的要求


汽车摄像头安全系统内的图像传感器
自1969年电荷耦合器件(CCD)出现以来，其应用一直在增长，扩展到数码相机、望远镜、摄像机、扫描仪，以及其它成像应用领域。然而，CCD在汽车安全应用方面有其固有的不足之处。最明显的是：CCD制造需要专门的工厂、设备及工艺，这给以低成本大批量生产汽车摄像头带来了困难。在汽车安全方面，CCD架构也有内在的局限性。标准CCD图像传感器经设计以串行方式读出数据，这意味着必须在读出所有的先前像素之后，才能读出后面的像素。这限制了帧速或每秒读取的图像数目，在快速捕捉图像为关键性功能的汽车安全应用中成为一种重要的缺陷。此外，大多数CCD摄像头不具备表1突显的必需的宽动态范围(WDR)功能。
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器是替代的解决方案，它可在具有高成本效益的商业代工厂生产，使用与生产其它计算芯片相同的高量产工艺。CMOS图像传感器具有随机访问读取功能，这意味着可对像素进行随机寻址，并可快速读出子帧(sub-frame)，即感兴趣的区域。因此，CMOS图像传感器克服了上述CCD传感器的某些缺点，而且具有几乎无限的子采样和子窗口能力。CMOS摄像头的一个附加优势是能够满足宽动态范围(WDR)和低光照性能要求，进一步推动CMOS图像传感器取代CCD传感器而成为众多成像市场(包括汽车市场)的首选传感器(见图1)。实际上，CMOS汽车传感器市场可望从2009年的不到1000万个增长至2017年的5000万个以上(IMS 2009年汽车市场报告)。
在拥有摄像头安全系统车辆内，使用图像传感器来完成场景观察或场景处理。

图1 汽车应用中的CMOS图像传感器
场景观察
通常在视频显示器上输出的场景观察应用包括后视摄像头、多摄像头360度视野、辅助停车、替代后视镜、夜视和后排乘客监视。在这些应用中，关键的图像传感器要求包括出色的低光照性能、WDR和低功耗工作，同时满足汽车质量标准要求，在大批量生产下具有低的单位成本。
Aptina imaging公司即是CMOS图像传感器供应商的典范，面向场景观察应用提供全集成式成像解决方案。例如：专为汽车场景观察系统而设计的VGA系统级芯片(MT9V128和MT9V129)，以及用于下一代视觉摄像头的先进百万像素(MT9M024)解决方案。
场景处理
在场景处理应用中，处理单元使用成像器的输出来发送警报或做出有关车辆运行的决策，包括车道偏离警示、交通标志检测、下雨检测、前灯调暗和盲点检测。
使用这些智能化安全系统，处理计算机接收来自传感器的数据，做出决定，并向车辆子系统发送指令，以防止发生事故、减轻事故的严重程度或者保护车主。例如处理计算机可能使用来自图像传感器的数据，确定即将发生的碰撞，并向车辆子系统发出指令以采取刹车措施。
微处理器和图像传感器方面的技术进步使得智能化安全系统成为现实。随着技术进步的速度加快，集成更多智能性的图像传感器将成为被动和主动型安全系统的组成部分。

图2 多摄像头360度/环绕视觉系统拓扑
汽车安全性的未来支持
新兴的汽车摄像头安全应用正在以惊人的速度增长，这些应用的配售率一直在上升。地区性标准、交通状况以及驾驶者偏好决定了可用的功能。例如在美国销售的汽车具有后视摄像头、车道偏离警示和360度环绕视觉功能，而欧洲的驾驶者除了360度环绕视觉摄像头外，还能够享有后视摄像头、车道偏离警示、自动远光控制、夜视和交通标志识别功能，每辆车需要多达八个或者更多的摄像头。
由于每辆车的功能和摄像头数量都在增加，提供集成新功能和新接口的灵活性，对于图像传感器的制造商而言是十分重要的。无论是在摄像头模块内采用协同芯片方式，或者在电子控制单元(ECU)内，最好的办法是使传感器和图像传感器处理ISP功能分开。
图像传感器制造厂商正在努力提高分辨率，从VGA到百万像素。更高的分辨率可以获得更清晰的街角和边缘。当然也要控制系统的功耗和成本，最大限度地降低摄像头模块的功耗，同时可以获得最佳的图像质量。一种降低成本的方法是使用可用于场景观察和场景处理两种应用的传感器。这就要求根据系统结构、接口和应用状况，在主要针对显示的场景观察和发生在ECU中的场景处理之间复用传感器的输出。Aptina imaging公司开发了解决这些难题的方法，通过提供能够用于摄像头模块和ECU的百万像素传感器以及协同芯片的解决方案，同时实现了更低的功耗和出色的灵活性。
结论
汽车业在生产行驶更安全的车辆方面继续承受越来越大的压力。如今，摄像头视觉系统已成为开发更先进安全系统的关键。在这些系统中，CMOS图像传感器不仅能够满足WDR和低光照性能要求，还可提供对于价格敏感的汽车市场至关重要的规模经济效益，有助于该领域实现显著增长。