攻克汽车成像演进难点

作者：安森美汽车方案分部(ASD)技术和产品战略高级经理Sergey Velichko

随着车辆从主要由先进驾驶辅助系统(ADAS)支持和驾驶员控制向全自动驾驶的方向发展，图像传感器的性能变得更关键。尤其是感知周围环境以保证所有道路使用者安全的图像传感器。

在不良的照明和高温下，传感器的性能会下降，路况变得具有挑战性。因此，图像传感器必须在所有条件下提供出色的性能支持自动驾驶。这篇技术文章将探讨图像传感器如何发展以应对自动驾驶的挑战，以最新的技术、符合需求的价位提供行业要求的性能。

随着车辆从完全由驾驶员控制，到提供驾驶辅助，再到最终接管驾驶任务，它们需要能感知周围环境。虽然车辆可使用几种不同的传感器模式，但由于图像传感器具有捕获形状、纹理和颜色的独特能力，且成本相对较低，因此是最通用和最受欢迎的传感器之一。

部署用于汽车环境的图像传感器有许多挑战。光线条件可能会产生极端的对比度和潮湿路面的眩光，而天气条件包括雨、雾和雪会降低能见度。交通信号灯、路标、车辆前大灯和尾灯通常使用LED照明。LED照明的一个巨大优势是它非常高效；但它通常是脉冲式的。虽然人眼看不到这脉冲，但图像传感器会将其呈现为闪烁的图像流。

汽车视觉的主要作用之一是检测车辆路径上的物体。车辆能看到越远的物体，就有越长的时间做决策和反应。因此需要高分辨率和高图像质量来辨别远处的物体。

随着在车辆整个系统中部署更多的图像传感器，成本至关重要——这些传感器不仅用于前视，还提供360度环视和监控乘客座舱。有些汽车有10多个图像摄像头。

从辅助驾驶向自动驾驶发展

美国汽车工程师学会(SAE)定义了一个6级模型图，说明了从非智能车辆到所有驾驶条件下全自动驾驶的车辆发展，如图1所示。

目前，许多车辆的自动化水平是L2级，其中包括最基本的控制，如纠正高速公路上的车辆漂移。向L3级迁移意义重大，因为L3级对车辆移动的控制更自动化。图像传感器将需要提供800万像素(MP)分辨率来支持这——比现在通常使用的图像传感器增加了4倍。这对某些情况下的自主运行来说是足够的，例如在高速公路上。向L4级和L5级发展，图像传感器的分辨率将需要高得多，从而支持所有情况下的自主工作。

同样，取决于用途，环视感知和盲点摄像头也将分辨率提高到300万像素甚至800万像素，并同时含LED闪烁抑制功能和高动态范围(HDR)。

图一 提高汽车自动化水平的SAE模型

另外，非拜耳滤光片已越来越多地取代了拜耳色彩滤光片阵列(CFA)，以改善微光下的工作，同时仍提供好的色彩性能。

像素大小

如果像素大小保持不变，提高传感器的分辨率会导致成本大幅上升——目前像素大小从4.2微米(μm)降至3 μm。不过，将像素大小减少到2.1 μm将使800万像素传感器的成本大幅降低，也就是说像素大小为2.1 μm的800万像素传感器与像素大小为4.2 μm或3 μm的800万像素传感器相比，成本将低很多。相对成本比较如图2所示。

图二 减小的像素大小显著节省成本

因此有人可能会认为，在关键的性能参数方面如微光性能、信噪比(SNR)或HDR会有一些折衷。但情况并非如此。安森美(onsemi)的3.75 μm、3 μm和2.1 μm像素的传感器，微光性能指标(SNR1和SNR3)基本相似。安森美的新的2.1 μm像素图像传感器的SNR和 HDR性能优于3 μm像素图像传感器。参见图3，了解SNR1和SNR3指标的相对比较。

图三 减小的像素大小不影响微光性能

此外，与其他供应商的3.0 μm 300万像素或500万像素传感器相比，安森美的2.1 μm 800万像素传感器方案以相当或更低的成本扩大了探测距离。

图四 安森美的830万像素传感器比竞争对手的3 μm传感器的探测距离更远

在夜间探测仅由车灯照亮的石头这一具有挑战性的例子中，3 μm的300万像素和500万像素传感器的探测距离分别为125米和150米。相比之下，安森美的传感器达到了170米(图4)。这延伸的距离相当于系统有更多的反应时间，有助于大大提高安全性。

图像质量和更高的汽车温度

将色彩滤光片从拜耳式改为RYYCy或RCCB，并纳入高质量的HDR色彩管道，如Clarity+，可显著提高传感器性能和图像质量。非拜耳色彩滤光片模式允许更多的光子进入每个像素，从而改善微光性能。这使传感器在具挑战性的条件下能够更好地“看”到，同时使捕获的原始物体图像色彩准确，处理成高质量的图像。

SNR是所有图像传感器的一个重要参数，因为它与系统在传感器生成的图像中检测物体的能力有关。在高温下，一个典型的3 μm分体二极管传感器的SNR会下降到20 dB左右。在这个水平上，噪声是明显可见的，而且物体检测也更困难。一个可比的安森美传感器的SNR水平超过30 dB。在这个水平上，噪声明显减少，物体检测也容易得多，从而为视觉应用带来了视觉上更愉悦的图像。

高温对图像传感器来说始终是个挑战，可能大大降低图像质量和性能。这在汽车应用中尤其如此，传感器在其80%以上的寿命期内都工作在80 ℃或更高的结温下——由于处于阳光直射下，并被设计在小的封闭空间内，这空间内还有其他电子器件在运行中产生热量。

即使在125℃的结温下，安森美2.1 μm像素大小的图像传感器在中高光照条件下也能达到25 dB以上的SNR性能，从而确保在所有工作条件下都能实现精确的物体检测。

现代2.1 μm汽车HDR LFM图像传感器

安森美最新的汽车图像传感器提供3840x2160(830万像素)的分辨率，含最新一代2.1 μm超级曝光像素。该传感器采用了真正的LED闪烁抑制(LFM)像素技术，可生成达155 dB的HDR图像，无闪烁时超过110 dB。HDR 帧率可以达到60帧/秒(fps)，而将帧率降低到45 fps将使HDR从110 dB提高到145 dB以上。

图五 安森美2.1 μm传感器(左)和竞争对手的3 μm传感器(右)图像质量对比(裁剪后）

关于微光性能，2.1 μm传感器的性能与性能非常好的3 μm像素传感器相当或更好。图5说明了2.1 μm传感器与竞争对手的3 μm传感器相比的HDR图像质量差异，突出了更好的动态范围，捕获到更好的细节和交通信号灯的真实颜色。在结温(Tj)高达100 ℃时，过渡SNR超过30 dB，即使在极端温度下(Tj=125 ℃)，SNR 也超过25 dB。在所有条件下，该传感器都能产生高色彩保真度的清晰图像，这部分归功于拜耳和非拜耳CFA技术所提供的范围——RGGB、RCCB、RCCG和RYYCy。

总结

先进的自主车辆越来越依赖高性能的成像器，使其能够感知周围的环境。虽然提高图像传感器的性能是可以实现的，但在不增加成本的情况下这样做是具有挑战性的。

安森美的成像器件设计表明，缩小像素大小的800万像素传感器的价格与目前200万像素4.2 μm传感器和(400-500)万像素3 μm传感器的价格相近，不影响微光性能的SNR和HDR。此外，采用非拜尔式CFA更增强了极为重要的微光性能。

高温始终是个挑战，传感器被置于有限的空间里，这空间里还有发热的器件，并暴露在阳光下。安森美传感器在高达125 ℃的温度下可以提供出色的性能，确保在所有工作条件下都能捕获到高质量的图像。

下一代图像传感器对于车辆安全和向更高自主性发展至关重要。