1. 簡介

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)用越來越廣泛。在這類應(yīng)用中，圖視覺系統(tǒng)是必不可少的一個組成部分，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，提供路況場景的細(xì)節(jié)信息。

圖1顯示了汽車視覺系統(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)志識別（Traffic Sign Recognition，TSR）等應(yīng)用要求視覺系統(tǒng)在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識別車道線、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態(tài)范圍（Dynamic Range，DR）足夠高，為后級圖像處理系統(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系統(tǒng)中的應(yīng)用。第二部分介紹汽車視覺系統(tǒng)對圖像傳感器性能的要求，第三部分討論高動態(tài)范圍圖像傳感器技術(shù)。第四部分對本文作一個總結(jié)。

2. 汽車視覺系統(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，視覺系統(tǒng)要處理一些復(fù)雜的路面情況，比如來面向陽光行車、進(jìn)出隧道、以及夜間會車時對面車輛前照燈等。這類路況要求攝像頭，以及其中的圖像傳感器能夠自動適應(yīng)這類復(fù)雜場景，否則圖像中細(xì)節(jié)信息的損失很難通過后級信號處理方法來恢復(fù)。

一幅畫面中，最亮部分和最暗部分亮度的比值被稱作動態(tài)范圍，比如，陽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。某場景若同時包括這兩種物體，則圖像的動態(tài)范圍是120dB。只有圖像傳感器的動態(tài)范圍高于120dB，汽車視覺系統(tǒng)才能有效地對該場景進(jìn)行圖像采集。

考慮到夜間行車，有些道路沒有路燈或者路燈很暗，汽車視覺系統(tǒng)也需要在低光照場景下采集路況信息。針對汽車應(yīng)用，圖像傳感器需要滿足一系列汽車級要求，如寬溫度范圍、高可靠性、高集成度、低成本等。表1總結(jié)了汽車視覺系統(tǒng)中圖像傳感器應(yīng)該具有的性能：

3. Melexis高動態(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)用越來越廣泛，已經(jīng)成為絕大多數(shù)視覺系統(tǒng)的首選。CMOS圖像傳感器的像素中包含一個光敏二極管，在光照激勵下產(chǎn)生和光強(qiáng)度呈正相關(guān)的光電流。通過在一定曝光時間內(nèi)對光電流積分，可以把光學(xué)圖像信號裝換成像素的電子信號輸出，其響應(yīng)特性如圖3（a）所示。因為供電電壓幅度以及傳感器噪聲的限制，傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍和成像細(xì)節(jié)是一對矛盾：增加曝光時間可以改善細(xì)節(jié)但同時減低動態(tài)范圍，反之降低曝光時間可以提高動態(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主要矛盾，使其不能完全滿足汽車視覺系統(tǒng)的要求。

針對CMOS技術(shù)的特點(diǎn)，Melexis開發(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態(tài)范圍，使其符合表1中所列所有標(biāo)準(zhǔn)。通過Autobrite技術(shù)對像素進(jìn)行分段曝光/復(fù)位控制，圖像傳感器的動態(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，實時調(diào)整傳感器的曝光時間和動態(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調(diào)整圖像亮度和銳度，減輕了后級信號處理系統(tǒng)的計算量。同時，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)的原始視頻信號輸出和I2C控制信號輸入，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，因為傳感器的動態(tài)范圍不能有效地適應(yīng)場景的動態(tài)范圍，圖像的暗處和亮處的細(xì)節(jié)體現(xiàn)較差。與此形成對比，通過使用Autobrite技術(shù)，圖4（b）所示圖像對亮和暗的區(qū)域都有很好的細(xì)節(jié)體現(xiàn)。對于車道偏離預(yù)警、障礙識別等應(yīng)用來說，高動態(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系統(tǒng)對圖像傳感器性能的需求。汽車視覺系統(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景細(xì)節(jié)，傳感器必須具有高動態(tài)范圍、高光敏度。考慮到汽車應(yīng)用，其同時必須具有高可靠性、高集成度、高靈活性。

Melexis MLX75412是基于Autobrite技術(shù)，針對汽車視覺系統(tǒng)應(yīng)用的一款高動態(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、可靠的場景細(xì)節(jié)信息，從而提高行車的安全性。