1. 簡(jiǎn)介

隨著汽車安全重要性的凸顯，行車輔助系統(tǒng)（Driving Assistance System，DAS）在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在這類應(yīng)用中，圖視覺(jué)系統(tǒng)是必不可少的一個(gè)組成部分，其必須快速、精確地感知各種路況，進(jìn)而提前預(yù)警或控制車輛行為。這要求系統(tǒng)的前端----攝像頭能夠最大限度地適應(yīng)不同的光照條件，提供路況場(chǎng)景的細(xì)節(jié)信息。

圖1顯示了汽車視覺(jué)系統(tǒng)的主要應(yīng)用，包括前視、后視、側(cè)視、內(nèi)視等。以前視為例，夜視（Night Vision，NV）、車道偏離預(yù)警（Lane Departure Warning，LDW）、碰撞預(yù)警（Collision Warning，CW）、交通標(biāo)志識(shí)別（Traffic Sign Recognition，TSR）等應(yīng)用要求視覺(jué)系統(tǒng)在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識(shí)別車道線、車輛、障礙物、交通標(biāo)志等。所有這些功能要求圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range，DR）足夠高，為后級(jí)圖像處理系統(tǒng)提供豐富的細(xì)節(jié)信息。

本文主要討論圖像傳感器在汽車視覺(jué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。第二部分介紹汽車視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像傳感器性能的要求，第三部分討論高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器技術(shù)。第四部分對(duì)本文作一個(gè)總結(jié)。

2. 汽車視覺(jué)系統(tǒng)中的圖像傳感器

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的器件，是攝像頭的重要組成部分，如圖2所示。在典型汽車應(yīng)用中，視覺(jué)系統(tǒng)要處理一些復(fù)雜的路面情況，比如來(lái)面向陽(yáng)光行車、進(jìn)出隧道、以及夜間會(huì)車時(shí)對(duì)面車輛前照燈等。這類路況要求攝像頭，以及其中的圖像傳感器能夠自動(dòng)適應(yīng)這類復(fù)雜場(chǎng)景，否則圖像中細(xì)節(jié)信息的損失很難通過(guò)后級(jí)信號(hào)處理方法來(lái)恢復(fù)。

一幅畫面中，最亮部分和最暗部分亮度的比值被稱作動(dòng)態(tài)范圍，比如，陽(yáng)光直射下某亮色物體亮度大約是100kcd/ m2，陰影下的暗色物體亮度大約是100mcd/ m2。某場(chǎng)景若同時(shí)包括這兩種物體，則圖像的動(dòng)態(tài)范圍是120dB。只有圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍高于120dB，汽車視覺(jué)系統(tǒng)才能有效地對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行圖像采集。

考慮到夜間行車，有些道路沒(méi)有路燈或者路燈很暗，汽車視覺(jué)系統(tǒng)也需要在低光照?qǐng)鼍跋虏杉窙r信息。針對(duì)汽車應(yīng)用，圖像傳感器需要滿足一系列汽車級(jí)要求，如寬溫度范圍、高可靠性、高集成度、低成本等。表1總結(jié)了汽車視覺(jué)系統(tǒng)中圖像傳感器應(yīng)該具有的性能：

3. Melexis高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器技術(shù)

由于CMOS技術(shù)的高集成度、高穩(wěn)定性、低成本，基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為絕大多數(shù)視覺(jué)系統(tǒng)的首選。CMOS圖像傳感器的像素中包含一個(gè)光敏二極管，在光照激勵(lì)下產(chǎn)生和光強(qiáng)度呈正相關(guān)的光電流。通過(guò)在一定曝光時(shí)間內(nèi)對(duì)光電流積分，可以把光學(xué)圖像信號(hào)裝換成像素的電子信號(hào)輸出，其響應(yīng)特性如圖3（a）所示。因?yàn)楣╇婋妷悍纫约皞鞲衅髟肼暤南拗?，傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍和成像細(xì)節(jié)是一對(duì)矛盾：增加曝光時(shí)間可以改善細(xì)節(jié)但同時(shí)減低動(dòng)態(tài)范圍，反之降低曝光時(shí)間可以提高動(dòng)態(tài)范圍但不利于細(xì)節(jié)顯示。傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器中的這對(duì)主要矛盾，使其不能完全滿足汽車視覺(jué)系統(tǒng)的要求。

針對(duì)CMOS技術(shù)的特點(diǎn)，Melexis開(kāi)發(fā)了基于Autobrite技術(shù)的CMOS圖像傳感器MLX75412，以圖3（b）所示的非線性響應(yīng)特性解決前述矛盾，大幅提高了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，使其符合表1中所列所有標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)Autobrite技術(shù)對(duì)像素進(jìn)行分段曝光/復(fù)位控制，圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍拓展到154dB。集成的反饋控制算法分析所采集到的圖像，實(shí)時(shí)調(diào)整傳感器的曝光時(shí)間和動(dòng)態(tài)范圍，顯著提高了在復(fù)雜路況下圖像采集的質(zhì)量。

MLX75412的集成圖像增強(qiáng)功能Autoview，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整圖像亮度和銳度，減輕了后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)的計(jì)算量。同時(shí)，由于MLX75412中集成的12位圖像處理流水線，其圖像處理精度高于通常使用的8位圖像處理。MLX75412提供了標(biāo)準(zhǔn)的原始視頻信號(hào)輸出和I2C控制信號(hào)輸入，兼容絕大多數(shù)DSP或FPGA?？紤]到汽車應(yīng)用，MLX75412提供1024×512分辨率的寬屏畫面，采集更廣范圍的圖像，便于識(shí)別路兩側(cè)的行人或交通標(biāo)志。

圖4比較了普通CMOS圖像傳感器和基于Autobrite技術(shù)的圖像傳感器的成像效果。在圖4（a）中，因?yàn)閭鞲衅鞯膭?dòng)態(tài)范圍不能有效地適應(yīng)場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍，圖像的暗處和亮處的細(xì)節(jié)體現(xiàn)較差。與此形成對(duì)比，通過(guò)使用Autobrite技術(shù)，圖4（b）所示圖像對(duì)亮和暗的區(qū)域都有很好的細(xì)節(jié)體現(xiàn)。對(duì)于車道偏離預(yù)警、障礙識(shí)別等應(yīng)用來(lái)說(shuō)，高動(dòng)態(tài)范圍圖像中的細(xì)節(jié)信息可以大幅提升行車輔助系統(tǒng)的精確度。

4. 結(jié)論

本文分析了汽車視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像傳感器性能的需求。汽車視覺(jué)系統(tǒng)的工作取決于其前端----攝像頭采集圖像信息的能力，而這在很大程度上由其中的圖像傳感器決定。為了在復(fù)雜路況條件下采集場(chǎng)景細(xì)節(jié)，傳感器必須具有高動(dòng)態(tài)范圍、高光敏度?？紤]到汽車應(yīng)用，其同時(shí)必須具有高可靠性、高集成度、高靈活性。

Melexis MLX75412是基于Autobrite技術(shù)，針對(duì)汽車視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用的一款高動(dòng)態(tài)范圍CMOS圖像傳感器。Autobrite技術(shù)能在亮度差異極大的復(fù)雜路況條件下采集高質(zhì)量圖像，為行車輔助系統(tǒng)提供精確、可靠的場(chǎng)景細(xì)節(jié)信息，從而提高行車的安全性。