车载摄像头技术 — 图像传感器（二）

上周我们所了下摄像头的镜头部分，今天继续来讲图像传感器。

图像传感器通过摄像头的镜头捕获光子，将其转换为电子信号，然后进一步处理获得数字图像。图像传感器构成了汽车视觉系统的核心，负责车辆中与视觉相关的所有数据。由图像传感器捕获的原始数据，通过图像传感器中的内部ISP或SoC中集成的ISP进行后处理，然后车载ECU根据车辆的环境进行有效的决策。

图像传感器的功能范围及其对不同挑战性的现实驾驶场景的适用性，对于向自动驾驶平台提供最佳输入至关重要。

汽车摄像头模块使用基于CMOS技术的图像传感器（CIS）。CMOS图像传感器由像素阵列组成，每个像素阵列都包含一个光电探测器和一个有源放大器。感光像素的矩形阵列按行和列排列，这些像素使用模拟电路将入射光转换为电压（CMOS）或电流（CCD）信号。这些信号被转换并存储为数字值，其他逻辑应用于后续的处理和分析。

随着ADAS和自动驾驶功能的不断提高，对于更加先进的CMOS图像传感器的需求不断增长。技术的不断发展增加了图像传感器的小型化和像素数量，从而实现了更好的图像质量和性能。

车规级图像传感器的技术要求与普通摄像头有很大不同。车载摄像头在非常苛刻的环境中运行，图像传感器暴露于巨大的温度范围和环境光水平下。随着汽车视觉系统在安全关键领域中的应用，汽车摄像头需要在大范围的工作条件下连续运行，输出参数不能出现任何恶化。这使得汽车摄像头的制造和封装变得复杂。我们逐个看下汽车图像传感器所需的性能参数。

分辨率

当前大多数汽车传感器的分辨率在1.3-4 MP范围之间。1.3 MP分辨率摄像头具有FoV为40–60°的镜头，可以检测100m范围内的行人。但某些ADAS自动驾驶功能要求分辨率在全高清（1080p）甚至4K（3,840×1,920）范围内，因为这些功能需要从远距离识别交通和道路标志。更高的分辨率将增加清晰度，并有助于扩大检测范围。预计8-12 MP的高分辨率摄像头将有望取代2-4 MP的摄像头。

后视和环视摄像头系统的分辨率也由用于将图像投射到驾驶员的显示分辨率来定义。定义分辨率的另一个关键方面是整体系统成本。因为分辨率更高，ISP需要处理更多像素，需要昂贵的处理器。更高的分辨率还需要固定的光学格式镜头，这种镜头价格昂贵，从而进一步增加了整体模块成本。

FoV

相机模块的视场（FoV）本质上由镜头和图像传感器定义，且不同的应用需要不同的FoV。前向摄像头的水平FoV通常在30–60°范围内，但某些传感器的广角覆盖范围高达180°。常规理由是，前向摄像头的FoV应该足够宽，以确保正确覆盖车道正前方的车道标记和障碍物。30°的FoV可以支持各种功能，例如LDW、VRU检测，以及30m范围的交通标志识别。

后方辅助、停车辅助和360°环视等应用需要FoV大于140°的广角镜头。车载摄像头模块大多使用定焦镜头，以避免与可变焦镜头的运动部件相关的振动问题。

颜色

颜色感知也是汽车摄像头模块的重要参数。诸如后视、环视和泊车辅助系统之类的视觉应用可向显示器提供色彩输出。颜色感知也是诸如交通标志识别或解释交通信号之类应用的重要组成部分，但在机器视觉应用中使用颜色是相对较新且不常见的。

HDR

高动态范围（HDR）是场景中最高光强度与最低光强度的比率。动态范围是汽车摄像头的关键参数。摄像头的动态范围应足够大，以适应驾驶场景的动态范围，否则图像将丢失场景的重要细节。HDR在捕获各种照明强度和方向的可靠图像方面起着重要作用。

HDR在以下情况中起着至关重要的作用：车辆从黑暗的隧道中出来进入阳光下；夜间在低光照条件下靠近车辆的行人；朝着阳光行驶；在夜间行驶时，迎面而来的车辆发出的光线使图像传感器失效等。

汽车图像传感器应具有比人眼更好的视觉识别能力。人眼的动态范围为104 dB，因此汽车摄像头有效运行的动态范围应该达到140 dB。

弱光成像能力

汽车图像传感器需要在弱光环境下极为敏感，以实现类似于夜视摄像头的功能。弱光能力直接取决于像素大小，像素大小决定了镜头大小和整个摄像头模块大小。对于汽车摄像头而言，14 dB的信噪比以及更宽的信噪比分布对于弱光成像至关重要。

LFM

图像传感器能够看到颜色并读取标志；但车辆上或周围的更多光源使用LED。汽车的大灯和尾灯以及交通信号灯和指示牌也越来越多地采用LED。这带来的挑战是，LED是脉宽调制的，且虽然它们是人眼无法察觉到的，但图像传感器可以看到这些调制。

让传感器自己解决这个问题，效率更高，系统延迟更短。有多种方法可以实现LFM（LED闪烁抑制），但大多数实现方法都涉及将像素光电二极管分为大光电二极管和小光电二极管，然后分别调整每个光电二极管的增益。这允许其中一个二极管捕获短时脉冲，而另一个捕获长时脉冲。然后将两个结果结合起来，以减轻LED闪烁的影响。正如在汽车行业中经常发生的那样，LFM作为一项独特功能，一开始就已经成为一种标准。好消息是拆分光电二极管还提高了传感器的HDR性能。但由于没有关于标志或汽车上的LED的工作频率的标准，因此不太可能使图像传感器不受所有LED闪烁的影响。

环境能力

与消费类摄像头相比，车载摄像头在完全不同的工作条件下运行。乘用车的工作温度范围很容易在-40-105°C之间变化。除极冷至极热外，汽车摄像头模块还会暴露在暴雨、冰雹以及尘土飞扬的路面等条件下。无论运行条件如何，车辆中的摄像头模块都要提供ADAS和自动驾驶功能所需的性能。另一个关键因素是摄像头在车辆中的位置。它们大多位于前格栅或挡风玻璃后面，完全暴露在日光下。暴露在阳光下，以及电子元器件和先进的处理器，都会产生大量的热量，可能还需要温度控制。

由于这些原因，汽车图像传感器应在-40-105°C的温度范围内提供出色的性能。摄像头供应商需要密切注意其传感器在具有挑战性的驾驶条件和天气条件下的性能，以保证车规级的可靠性。他们应提供AEC-Q100 2级的可靠性，以符合车载应用的要求。

外形尺寸

车载摄像头模块需要采用紧凑的外形尺寸，从而能够在不损害空气动力学的情况下有效集成到车身中。车载应用需要具有坚固封装的集成摄像头模块，以抵抗外部冲击和振动，包括玻璃或带有塑料光学元件的玻璃。总体模块成本也是选择汽车摄像头模块的重要参数。OEM更倾向于高度集成的模块，同时具有最佳的成本和最小的尺寸，又不会影响汽车的需求。

汽车图像传感器供应商包括索尼、OmniVision、安森美、松下、ST和Himax。