電動(dòng)車(chē)紛紛走向傳感器融合，圖像傳感器依然是yyds

當(dāng)前的自動(dòng)駕駛和輔助駕駛系統(tǒng)中，激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等傳感器已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮，但圖像傳感器主攻的攝像頭視覺(jué)系統(tǒng)依然未被任何一家車(chē)廠拋棄。反觀特斯拉，更是一直堅(jiān)持純視覺(jué)方案。那么圖像傳感器究竟有何優(yōu)勢(shì)，又是如何解決自動(dòng)駕駛帶來(lái)的挑戰(zhàn)的？

不同位置的汽車(chē)圖像傳感器
單從傳感器數(shù)量上來(lái)看，圖像傳感器無(wú)疑是ADAS和AD應(yīng)用中用在車(chē)身上最多的傳感器，遍布車(chē)身各個(gè)位置。但在像素、動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)上，這些圖像傳感器往往不會(huì)統(tǒng)一，那么它們的位置是如何決定其配置的呢？安森美(onsemi)中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理陳力答道，遠(yuǎn)距離攝像頭例如前視/后視，要求高靈敏度，高動(dòng)態(tài)范圍，抑制LED閃爍和高像素?cái)?shù)，以滿足長(zhǎng)距離小障礙物探測(cè)需要，目前常用8百萬(wàn)像素；而近距離攝像頭例如環(huán)視，要求高靈敏度，中等動(dòng)態(tài)范圍和中等像素?cái)?shù)，主要探測(cè)車(chē)身周?chē)膱?chǎng)景，目前常用到2~3百萬(wàn)像素；如果是抓拍高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的攝像頭，則需要考慮采用全局快門(mén)圖像傳感器。
除了車(chē)外用于ADAS和AD的圖像傳感器外，用于環(huán)視和監(jiān)控的傳統(tǒng)攝像頭應(yīng)用也要用到圖像傳感器，但它們的參數(shù)需求同樣存在差異。環(huán)視攝像頭為人眼視覺(jué)+低速應(yīng)用，ADAS是機(jī)器視覺(jué)+高速應(yīng)用。后者強(qiáng)調(diào)傳感器的功能安全，低照性能，動(dòng)態(tài)范圍，空間解析力和抗LED閃爍功能要求。

車(chē)內(nèi)監(jiān)控也分駕駛員監(jiān)控（DMS）和乘客監(jiān)控（OMS），出于安全考慮，歐盟和中國(guó)均出臺(tái)了相關(guān)政策，強(qiáng)制要求部分商用車(chē)型中裝配DMS系統(tǒng)。OMS系統(tǒng)雖然面世不算久，但在安全帶檢測(cè)、車(chē)內(nèi)乘客滯留提醒等應(yīng)用上同樣起到至關(guān)重要的作用。這兩大車(chē)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)中，DMS側(cè)重于機(jī)器視覺(jué)，需要時(shí)刻關(guān)注駕駛員的狀態(tài)，因此往往用到黑白的全局快門(mén)圖像傳感器。而OMS則側(cè)重于記錄功能，可用彩色或RGB-IR的滾動(dòng)快門(mén)傳感器。

LED閃爍問(wèn)題如何抑制

汽車(chē)圖像傳感器最常見(jiàn)的挑戰(zhàn)之一就是LED閃爍抑制（LFM），就像人眼對(duì)于LED屏幕的閃爍的感知一樣，如今的手機(jī)常常用到DC調(diào)光和PWM的方案。而汽車(chē)圖像傳感器就像是車(chē)上的眼睛，對(duì)車(chē)外的LED光線同樣會(huì)有所感應(yīng)，那么汽車(chē)圖像傳感器又是如何解決LFM問(wèn)題，改變車(chē)燈的頻率有沒(méi)有可能改善LED閃爍呢？
陳力給出了這一問(wèn)題的解釋?zhuān)翰捎肈C調(diào)光方式的LED沒(méi)有閃爍的問(wèn)題，此時(shí)LED一直常亮，僅通過(guò)調(diào)幅來(lái)調(diào)節(jié)亮度，整個(gè)過(guò)程中燈并沒(méi)有熄滅的狀態(tài)； 而另外一種更常見(jiàn)的LED燈是PWM調(diào)頻驅(qū)動(dòng)方式，即以一種一明一暗的光脈沖方式在照明，脈沖閃爍頻率從幾十到幾百赫茲都有可能，這種閃爍是照明場(chǎng)景客觀存在的現(xiàn)象，雖然人眼通?？床坏?，但能被圖像傳感器所感知。從某種角度來(lái)說(shuō)，圖像傳感器輸出的結(jié)果更客觀真實(shí)，而眼睛反倒欺騙了你。光脈沖的閃爍頻率取決于PWM頻率，其亮度取決于占空比，不同LED燈通常頻率也不同。抑制LED閃爍常見(jiàn)的方法是增大曝光時(shí)間，曝光時(shí)間越長(zhǎng)，每行像素能抓到更多光脈沖，從而削弱了閃爍的強(qiáng)度，但曝光時(shí)間越長(zhǎng)，帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)模糊也越明顯。同理，增加LED燈的頻率也可以減小LED閃爍，但LED燈頻率往往不可控，實(shí)際場(chǎng)景中，LED閃爍不僅僅出現(xiàn)在車(chē)燈上，環(huán)境中的LED照明都存在類(lèi)似閃爍，例如信號(hào)燈，廣告燈等等。

高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）和超級(jí)曝光

動(dòng)態(tài)范圍在汽車(chē)圖像傳感器上有著非常高的要求，真實(shí)世界場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)范圍極端情況下可以達(dá)到140 dB，所以這類(lèi)產(chǎn)品往往都要做到120 dB以上，目前傳統(tǒng)HDR采用的多重曝光合并方式會(huì)產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)偽影的現(xiàn)象，這對(duì)ADAS應(yīng)用中的算法提出了一定要求。
為了解決同時(shí)做到LFM和HDR又能保證成像質(zhì)量的挑戰(zhàn)，安森美的Hayabusa系列汽車(chē)圖像傳感器采用了超級(jí)曝光像素的技術(shù)。通過(guò)擴(kuò)展像素容量，可以做到長(zhǎng)時(shí)間曝光捕捉脈沖光而不會(huì)過(guò)飽和，并將動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至線性像素容量的5倍。Hayabusa只需單次曝光就能在兼顧LFM的情況下實(shí)現(xiàn)95 dB的動(dòng)態(tài)范圍。陳力提到，在多次曝光合并技術(shù)基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)像素需要3次曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)120 dB的動(dòng)態(tài)范圍，而Hayabusa只需要兩次曝光合并就可以實(shí)現(xiàn)120 dB的動(dòng)態(tài)范圍，大大改善了運(yùn)動(dòng)偽影問(wèn)題。與大小像素技術(shù)相比，超級(jí)曝光沒(méi)有兩種像素結(jié)構(gòu)帶來(lái)的巨大的光學(xué)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，即邊緣像素性能急劇惡化和嚴(yán)重的像素間串?dāng)_，也不會(huì)因?yàn)樾?zhǔn)和去噪而導(dǎo)致細(xì)節(jié)與分辨率的損失。

結(jié)語(yǔ)

面對(duì)其他高性能傳感器的競(jìng)爭(zhēng)，圖像傳感器憑借其成本、大小等優(yōu)勢(shì)依然牢牢占據(jù)著汽車(chē)市場(chǎng)。這一視覺(jué)方案憑借LFM和HDR等特性，以及超級(jí)曝光等技術(shù)的創(chuàng)新，依然在其弱項(xiàng)上進(jìn)行突破，適配更多的駕駛場(chǎng)景。