推进汽车成像的挑战

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。

图1 提高汽车自动化水平的SAE模型

1   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。

2   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2 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3 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4 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。

3   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 °C 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。

4   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3 840×2 160（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5 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（剪裁后）

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 °C 时，过渡SNR 超过30 dB，即使在极端温度下（ Tj = 125 °C ），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。

5   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 °C 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。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年9月期）