低照度/动态范围辨识力大增 影像感测器提升汽车安全 - 全文

　　自从卡尔本茨（Karl Benz）在1885年首先发明了真正的汽油动力汽车，汽车技术在过去的一个世纪里已有卓越的进步，如防锁死？车系统、动力转向系统、雨刷、电子稳定控制、导航控制等等。

　　根据J.D. Power and Associates的最新研究，38%的汽车购买者将新技术视为购买新汽车的决定关键。另一项由德勤管理顾问公司（Deloitte Consulting LLP）在2014年1月所做的调查显示，在1982至2002年出生，被称为Y世代的人，有61%的人计画购买高科技汽车。德勤管理顾问公司负责人 Masa Hasegawa表示，虽然Y世代可能不一定会细看马力、加速时间或引擎大小等关键指标，但他们有着清楚的需求、需要和渴望。此外，Y世代消费者还需要安全科技，尤其是能够降低分心驾驶风险的功能。

　　在最近几年里，消费者越来越渴望先进的汽车技术，这些渴望由科技应用的增加所引发，并且成为汽车的购买要素，这实际上鼓舞了汽车制造商在使用科技特性做为其在差异化方面的创新。

　　随着消费者转向更好的人车互动体验和安全驾驶，市场需求要求他们采用与智慧手机相同的速度和创新来适应新技术，这对汽车制造商造成了很大压力，但也可以为他们的汽车品牌创造差异化。消费者想要更好的车载体验/互动性，并期望使用者介面更加自然和直观。

　　创新技术加持　汽车安全性升级

　　为实现更好的安全功能，消费者希望使用安全自动化来帮助他们避免或减少任何潜在的事故。随着汽车制造商提供更多的车载互动功能，他们还须要开发技术来保护分心的驾驶者。很多时候，事故的主要塬因就是驾驶者注意力分散、不专心，以及司机错觉或误判驾驶情况。

　　一般来说，创新功能首先在高阶汽车上成为选项推出，然后随着成本下降、认知度增加和需求成长，最终大量用在主流汽车上。汽车技术创新的核心在于安全性，虽然某些创新只是为了方便而已。

　　今天，许多主动式安全系统涵盖了广泛的多学科领域和技术，例如行人检测摄影机、距离测定雷达、路径规画和车对车无线网际网路通讯。这里讨论一些目前汽车市场正在考虑的关键技术。

　　．视觉感测技术

　　在转向与倒车时提供查看车后的后视摄影机系统现已成为主流。到2018年，美国拟强制要求汽车制造商在每一辆新车内安装后视摄影机，因应这项法规，制造商早在2014年开始推出配备后视摄影机系统的新汽车。

　　目前的新趋势是环视摄影机系统，采用四到五个广角摄影机，安装在汽车的前后方和两侧，提供360度鸟瞰视图或前/后拆分视图，而一些更先进的系统甚至可以提供盲点检测和停车辅助。

　　早在2005年，夜视摄影机就已经配置在奔驰S系列汽车中。现在，E系列汽车也提供这项技术。通常，夜视摄影机使用长距离发光二极体（LED）灯，使汽车前方的距离看的更远。当前的夜视摄影机还增加了行人检测，当行人或物体靠近车辆时，以监视器或汽车挡风玻璃上的抬头显示器（Heads-up Display）给驾驶者提供警告资讯。

　　自动远光车前灯（High-beam）控制是一项新的技术，使驾驶者能够更好地看清道路弯道周围。根据公路损失资料协会（Highway Loss Data Institute）的调查，使用自动调节车前大灯（Adaptive Headlights）后，财产损失责任保险的索赔下降了10%。为实现自动调节车前大灯，摄影机被安装在后视镜上，当汽车接近迎面而来的车辆，以及汽车在同一方向行驶中超车时进行检测，并关掉远光灯。它可以在近光和远光间切换，但会根据迎面车辆的接近距离而逐渐增大或降低灯光分布。此外，它还可在急转弯时对远光灯进行调暗，在完成转弯后，假如没有迎面车辆驶近时，重新启用远光车前灯。

　　其他创新的车辆安全特性包括自我调整导航控制、车体前部碰撞警报系统、自动紧急制动；行人检测和车道偏离报警也越来越普及。这些特性使用摄影机或者摄影机加雷达/雷射雷达来监测道路以及危险状况，甚至有时辅助驾驶者来自动煞车，从而避免撞车。因此，自动紧急煞车（Autonomous Emergency Braking， AEB）系统在新汽车中日益普及。

　　驾驶者监控是汽车技术中的最新应用，可不断评估驾驶者适合驾驶的能力。驾驶者监控系统，使用摄影机来检测瞌睡的驾驶者，当认为驾驶者疲劳或不清醒时便发出视觉或声音警告。驾驶者监控系统须要考虑的其他因素还包括车速、道路状况、加速和减速模式。

　　在不久的将来即可应用到车辆上且建基于视觉的技术，包括了用于人车（Human-car）介面的手势识别、后视镜/侧视镜替代方案，以及安全气囊配置。在手势控制中，驾驶者可以与资讯娱乐中心或控制台相连接，毋须触摸任何按钮或显示器。这些功能是非常有用的，利用抬头显示器将部分仪錶盘投射到驾驶者前方的挡风玻璃上。在后视镜/侧视镜替代方案方面，可使用摄影机在汽车显示器上即时显示后方/侧方的状况。至于安全气囊配置，摄影机可以检测方向盘后驾驶者的準确位置，万一发生碰撞，安全气囊可以精确配置来保护驾驶者的要害部位。这些新功能的一个实际例子就是雪佛兰（Chevrolet）的2015款 Corvette，其带有用于性能资料记录仪的摄影机，按照驾驶者的视角安装在顶蓬装饰中，并将资料记录在SD卡，通过遥测硬体和软体来测量速度、制动G力（G-force）。

　　．雷达感测技术

　　由于成本下降，越来越多雷达系统被用于汽车应用中，尤其在短程和远端检测和识别中更为明显。远端雷达系统通常安装在汽车的前部，用于前视应用，比如自我调整导航控制、制动辅助和碰撞警报。奥迪（Audi）的Pre Sense Front Plus是远端雷达系统实例，设计用于帮助避免或减少碰撞前方车辆后部的事故，无论前方车辆是移动中还是静止的。短程雷达系统包括盲点检测、侧碰警报、两侧来车警告系统（Cross-traffic Alert）和车道变换支援。克莱斯勒（Chrysler）的Cross Path Detection System包括外侧视镜中的视觉指示器。福特（Ford）的系统称为Cross Traffic Alert，是外侧视镜报警指示器。

　　近期的技术发展推动是将无线连接增加到车辆中。这种设计的优势之一是采用无线区域网路（Wi-Fi）和全球卫星定位系统（GPS）讯号组合，车辆可以与其他车辆（V2V）或道路基础设施（V2I）进行通讯。

　　这方面的实例就是在一列车辆中，当前面一部汽车开始煞车，后面的所有车辆都接收到讯号并相应地修改速度和距离。在车辆对基础设施通讯实例中，汽车可以变成一个热点，并用无线电接收任何建基于位置的服务资讯。联网汽车还可以与自动驾驶联合工作。美国国家公路交通安全管理局（National Highway Transportation Safety Administration， NHTSA）最近宣布，鑑于美国联网车辆具有「极佳的安全效益」，他们正提议在10年内强制在新汽车中使用某些技术。该公告给制造商发出讯息，那就是车联网的车辆代表了汽车安全的下一阶段发展趋势。

　　ADAS应用热潮驱动　影像感测技术受瞩目

　　到目前为止，本文已经探讨了许多新的汽车技术。在所有这些技术中，以影像为基础的系统是最突出的。随着摄影机成本下降、摄像感测器的性能提升和智慧视觉演算法的发展，在不久将来，至少八到十个摄影机将在后视/环视和夜视摄影机、先进驾驶辅助系统（ADAS）、视镜替代和行车记录仪、驾驶/车辆介面等应用中使用。不久将来，正如手机一样，由于摄影机可提供的安全性和便利，当消费者决定购买汽车时，摄影机将成为汽车的关键差异化因素。根据产业的调查研究，到 2020年摄影机出货量将上升到超过二亿部。汽车摄影机应用的关键成长因素将会是ADAS，2014年欧洲NCAP开始推动这项安全要求，而从2018年开始，美国将强制实施后视（Review-view）摄影机。另外，环视摄影机应用和停车辅助也将在这段预测期间快速成长。

　　与手机用摄影机不同，汽车用摄影机的要求更严格，尤其在低照度下的性能、动态范围、近红外线（NIR）敏感性、在摄氏-40到+105℃宽温度范围下的图像品质、长期可靠性、图像资料完整性和稳健性等方面。另外，所有出货给汽车应用的图像感测器都要求符合AEC-Q100以及在ISO/TS 16949认证的设施中生产。如果在广泛的品质/可靠度性能方面没有大量的研发和投入，就很难为汽车视像系统设计和制造图像感测器。随着安全应用中智慧设计的增加，例如ADAS，图像感测器的性能也须要相应地提高。以下是在图像感测器技术方面的某些关键进展，可满足当前和未来汽车视像系统的需求。图1说明了图像品质的重要性。

　　

　　图1　图像品质的重要性

　　．低照度功能

　　对于汽车应用来说，低照度下的性能非常重要。例如，在后视摄影机中，有时仅有的光源来自汽车的倒车灯。为了看到21公尺长（70英尺）和6公尺宽（20英尺）的汽车后部区域，须要安装具有非常好图像感测器的摄影机，以便在低于1勒克斯（Lux）的环境中进行查看。为创建此类低感光感测器，DR-PIX技术利用了动态响应像素，在一个像素的设计中结合了两种工作模式：低转换增益模式和高转换增益模式。低转换增益模式用于明亮场景中的大电荷处理能力；而高转换增益模式则用于低光场景中增加感光度并降低读取杂讯。这样，在所有照明条件下，感测器都提供了所具有的最佳杂讯性能。

　　．动态范围

　　在实际驾驶情况下，常常会遭遇很有挑战性的高反差背光条件。如果有太亮的光，部分图像可能发白或出现斑点。

　　更糟的是，如果场景既有非常明亮的区域，也有非常暗的区域，普通摄影机将很难準确地捕捉整个场景，这样的极端情况须要摄影机在超过100dB的动态范围内工作。

　　如果没有高动态范围（HDR），交通标誌识别、物体检测等ADAS应用中的準确性将会变差。为实现HDR摄影机，图像感测器需要特殊的曝光技术来增强动态范围，以便捕捉非常亮和非常暗的部分场景。灵敏的HDR汽车成像仪（Imager），能够在明显不同的照明条件下工作，而这正是汽车摄影机应用的一个关键特性。

　　．NIR敏感性

　　驾驶者监控、手势控制和夜视等新兴应用需要非常高的近红外光敏感性，因为此类应用需要850至940nm的近红外线光谱仪来照亮场景或实现3D感测工作。近红外线光谱仪是一种结构光模式，非常灵敏的NIR成像仪可以感测此类资讯，并传送微点（Micro Dots）资讯来进行编译处理。普通的感测器通常无法获取任何940nm的NIR光，但藉着特殊设计和制程技术，已有公司开发出NIR感测器，能够在非常极端的范围内吸收NIR光。

　　无人驾驶将掀起汽车产业革命

　　随着ADAS和后视/环视摄影机的发展，汽车正变得越来越智慧和越来越安全。互补式金属氧化物半导体（CMOS）图像感测器的性能，将成为準确捕捉不同环境条件下场景的关键因素。如果无法正确地捕捉场景资讯，系统下游的其余部分可能影响资料的準确性，因而导致错误的决定。在系统采集和处理之初，建基于视觉解决方案的CMOS图像感测器提供準确的资料做为开始是极其重要的。随着ADAS系统变得更先进，它将为朝向自动驾驶（Autonomous Vehicles）趋势发展做好準备。借助结合V2V和V2I的连接，自动驾驶是汽车技术发展过程中的下一件大事。

　　试想像世界上很少发生车祸、只有少许的交通堵塞和与驾驶相关的压力，而自动驾驶正为未来驾驶带来这样的一个发展愿景。谷歌（Google）是倡导无人驾驶汽车的着名企业之一，包括日产（Nissan）、沃尔沃（Volvo）、奥迪、宝马（BMW）、凯迪拉克（Cadillac）、福特、通用汽车（GM）、奔驰（Mercedes-Benz）、丰田（Toyota）和大众（Volkswagen）等众多汽车制造商，也已开始测试无人驾驶汽车。

　　许多产业专家预测，自动驾驶将从2025年开始在大众市场应用中成为现实。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）正在考虑设置自动驾驶专用车道，自动驾驶将成为未来岁月里的颠覆性技术。有许多讨论是关于如何加快自动驾驶技术的大量应用，奠基于CMOS图像感测器的视觉系统将成为实现此一目标的关键因素。政府和汽车制造商正在为未来无驾驶者汽车应用而努力推动基础设施的建设，自动驾驶汽车将会成为汽车诞生以来最伟大的交通业发展进步。