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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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