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车载摄像头对自动驾驶的重要性

中关村在线 2017年03月22日08:54 

  自动驾驶时代悄然来临,车载摄像头将会作为车联网信息处理的重要入口。根据IHS调查显示,车载摄像头全球出货量将从2014年2800万枚增长至2020年的8270万枚,6年复合增长率19.8%,并且随着2020年之后完全自动驾驶时代的来临,车载摄像头市场将几何增长。

  车载摄像头对自动驾驶的重要性

  ADAS系统解决方案包括摄像头解决方案、雷达/激光雷达解决方案、传感器融合。市场发展初期由于雷达技术成熟且不受天气情况影响,雷达/激光雷达解决方案是市场主流。但随着ASIC(专用集成电路)的发展以及图像处理算法的提高,同时由于雷达技术在辨别金属障碍物方面准确率较高,但在辨别非金属障碍物如行人方面却无能为力,且无法准确辨识从侧面驶来的车辆,而且无法辨别车道,碎片或者道路坑槽。

  摄像头的视觉处理技术可以更好地辨别道路上的标识,行人等信息,也可以通过算法计算行人与车辆的行动轨迹,相较雷达技术成本更低,功能更为全面,准确性也较高。基于摄像头成像的技术渐渐被主流厂商接受,考虑到摄像头的像素对图像识别技术的限制以及在雾天和雨天等极端情况下功能降低,以摄像头为主的传感器融合将成为主流。

  车联网架构自下而上依次是感知层、网络层和应用层,分别担任信息采集、传输和处理功能。视频采集存储(感知层)作为车联网的底层架构,主要技术有车载DVR和车载IPCamera。车载DVR俗称车载录像机,是基于数字化视频压缩存储和3G无线传输技术,内臵GPS,汽车黑匣子,CANbus总线,G-SENSOR等技术的应用。

  而车载IPCamera基于数字信号处理技术(DSP)和网络技术,CMOS图像传感器把场景的光信号转变为电信号,这些电信号转换为数字信号后通过数据接口传输到DSP存储器,完成图像压缩、编码的同时把数据流送到硬盘或其他存储设备中保存。在距离、扩展能力和成本上与传统的模拟系统和DVR相比有所不同。

  车载摄像头具有广泛的应用空间,按照应用领域可分为行车辅助(行车记录仪、ADAS与主动安全系统)、驻车辅助(全车环视)与车内人员监控(人脸识别技术),贯穿车辆行驶到泊车全过程,因此对摄像头工作时间与温度有较高的要求。按照安装位臵又可分为前视、后视、侧视以及车内监控4部分。

  车载摄像头为什么选CMOS技术?

  既然汽车摄像头那么重要,其对技术和工艺又会有什么要求?针对车载应用,汽车摄像头与手机摄像头一样,主要是使用CMOS而不是CCD作为光学传感器,其主要的原因有三点:

  首先,主动驾驶辅助系统所用传感器应具有的首要特性是:速度快。特别是在高速行驶场合,系统必须能记录关键驾驶状况、评估这种状况并实时启动相应措施。本质上,CMOS是种更快的影像采集技术—CMOS传感器内的单元通常是由3个晶体管主动控制和读出的,这就显着加速了影像采集过程。目前,基于CMOS的高性能相机能达到约5,000帧/秒的水平。

  其次,CMOS传感器还具有数字图像处理方面的优势。CCD传感器通常提供模拟TSC/PAL信号,也许必须采用额外的AD转换器对其进行转换、或是CCD传感器要与带数字影像输出的逐行扫描方法一起工作。无论哪种方式,让采用CCD的照相机提供数字影像信号都显着增加了系统复杂性;而CMOS传感器可直接提供LVDS或数字输出信号,主动驾驶辅助系统内的各组成部份可直接、无延迟地处理这些信号。

  而且,为了达到这样的目标,车载摄像头厂家就必须考虑使用成本较低的CMOS传感器。并且,在有强光射入时,CMOS传感器不会产生使用CCD时会出现的Smear噪声。这将会减少因操作失误所导致的调整时间。

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  COMS与CCD传感器优缺点比较

  汽车摄像头模组有何特点?

  除了根据汽车应用需求采用COMS技术,汽车摄像头模组在工艺和封装上也有其他的要求。相较手机摄像头,车载摄像头技术工艺难度更大,主要是其对可靠性的高要求所致。不同于一般的摄像头,汽车摄像头连续工作时间较长、所处环境往往震动较大且一旦失效将会对用户生命安全造成致命威胁,因此对于模组和封装等要求严格。汽车摄像头测试需要在水中浸泡数天,以及1000小时以上的温度测试,还包括从零下40度到零上80度的迅速跳转。并且汽车摄像头需要具备夜视功能以保证夜间可以正常使用。

  车载摄像头模块的独特规格主要有四点

  (1)能够抑制低照度摄影时的噪声,特别是对车辆后方与侧面进行摄影的模块,要求即使是在晚上,也必须能很容易地捕捉到影像。

  (2)车载摄像头模块的另外一个特点是水平视角扩大为25°~135°。手机中摄像头模块的水平视角大多为55°左右。要实现广角以及影像周边部位的高解析度,至少使用5个左右的镜头。

  (3)车载摄像头模块的机身是用铝合金压铸而成的,材料费较高。车载摄头模块不使用树脂而使用铝合金压铸品,是为了保证可靠性,主要包括以下三个理由:散热性好;将机身做为接地层可抑制电磁干扰;形状的热稳定性好。

  (4)车载摄像头模组机械强度和耐高温性是其中决定性的标准。这些模块将采用特殊封装,使相机兼具所需的强韧性和抗渗透。因用于主动驾驶辅助系统的摄像头是关乎行车安全的组件,它们还必须能在供电系统暂时断电时可靠工作。

  由于车载摄像头对于稳定性以及规格的特殊要求,因此对模组和封装要求较高,除了工艺与技术门槛较高外,车载摄像头进入前装市场的周期要比其他种类摄像头长上许多,从design-win到产生收入至少要一年以上的时间周期。

  什么是汽车全景影像系统?

  车载摄像头对实现ADAS和自动驾驶有着重要的作用,而应用车载摄像头构成的汽车全景影像系统能够极大的提高驾驶的安全性和便捷性。全景影像系统中文又可以称为360°全景影像系统,或简称MVCS(MulTI-ViewCameraSystem)。全景环视系统为汽车驾驶者提供更为直观的辅助驾驶图像信息,能够快速准确的发现车辆附近难以被观察到的情况,实现了精准的驾驶控制,尤其是对驾驶新手,可以提高驾驶安全性和减少不必要的刮碰。

  全景环视系统通过在汽车周围架设4到8个广角高感光摄像头覆盖车辆周边所有视场范围,通过对同一时刻采集到的汽车前后左右的图像,由采集部件转换成数字信息送至视频合成、处理部件,经过图像处理单元畸变还原→视角转化→图像拼接→图像增强后转换成模拟信号输出,生成360度的车身俯视图,最后在中控台的屏幕上显示,让驾驶员清楚查看车辆周边是否存在障碍物并了解障碍物的相对方位与距离,帮助驾驶员轻松停泊车辆。

  在显示全景图的同时,也可以显示任何一方的单视图,并配合标尺线准确地定位障碍物的位臵和距离。ADAS通过控制车身摄像头采集车辆周边辅助安全行驶,而全景摄像系统通过控制车身摄像头采集车辆周边影响进行安全泊车。两个系统独立运行,贯穿行车过程始终。

  全景系统视角会根据行车轨迹而动态移动,提供车辆四周360度的画面。通常采用LVDS或快速以太网等高性价比型链路,部署4到5个高动态范围(HDR)100万像素摄像头。一般使用视频压缩来减少所需的通信带宽并降低布线要求(例如,可以使用非屏蔽双绞线或同轴电缆)。其他系统要求包括一个多端口LVDS或以太网交换机、一个电源、一个用于快速访问外部存储器的集成DRAM,以及一个用于降低系统成本嵌入式闪存。

  车载摄像头的核心技术壁垒

  无论是全景影像系统还是ADAS无疑都将给驾驶者带来更好的体验并提升汽车的安全性,全景影像系统在图像拼接、视频处理等仍然面临挑战,我们最后还在这里回归到基础的车载摄像头来目前的核心技术壁垒。

  夜视功能会成为汽车摄像头核心壁垒之一。据美国国家公路交通安全管理局(NHTS)的统计,虽然夜间行车在整个公路交通中只占四分之一,发生的事故却占了一半。而夜间视线不良所造成的事故占了70%。因此必须要求汽车摄像头具有较强的感光能力,使得全天都可正常工作,即近红外的宽光谱范围(从400nm~1100nm),未来夜视功能将成为车载摄像头得标配。

  已投入应用的夜视技术有三大类:微光夜视技术、被动红外夜视技术、主动红外夜视技术。微光利用夜间目标反射的低亮度自然光,将其增强放大到几十万倍,从而达到适于肉眼夜间进行观察的图像。被动红外夜视技术是通过接收探测热源与背景红外线辐射差进行成像,相比于微光以及主动红外技术不需要额外光源,且探测距离最远,准确性高但成像也最为模糊,画面辨识度低。主动红外技术又称为近红外夜视技术,通过红外探照灯发射不可见光照射目标,并利用反射的光线成像,可视距离适中,成像清晰。

  因为相较于被动夜视技术,主动夜视技术成像更为清晰,可以直接利用图像识别对夜间道路标识,行人进行探测,因此主动夜视技术更符合车载领域的应用场景。同时,由于被动红外夜视系统的核心红外焦平面成像材料、技术遭到禁运,因此被动红外夜视技术成本远高于主动红外夜视技术。

  核心的激光夜视技术需要拥有全面的近红外、中近距离激光夜视成像与处理技术,解决全天候成像、双向高速移动高速对焦、消除激光散斑等技术问题,并且需要具有车速同步的变焦技术并手电筒效应,技术难度较大,因此,夜视功能会成为汽车摄像头核心壁垒之一。

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