影像感測器提升汽車安全

根據(jù)J.D. Power and Associates的最新研究，38%的汽車購買者將新技術(shù)視為購買新汽車的決定關(guān)鍵。另一項由德勤管理顧問公司(Deloitte Consulting LLP)在2014年1月所做的調(diào)查顯示，在1982至2002年出生，被稱為Y世代的人，有61%的人計畫購買高科技汽車。德勤管理顧問公司負(fù)責(zé)人 Masa Hasegawa表示，雖然Y世代可能不一定會細(xì)看馬力、加速時間或引擎大小等關(guān)鍵指標(biāo)，但他們有著清楚的需求、需要和渴望。此外，Y世代消費者還需要安全科技，尤其是能夠降低分心駕駛風(fēng)險的功能。

在最近幾年里，消費者越來越渴望先進(jìn)的汽車技術(shù)，這些渴望由科技應(yīng)用的增加所引發(fā)，并且成為汽車的購買要素，這實際上鼓舞了汽車制造商在使用科技特性做為其在差異化方面的創(chuàng)新。

隨著消費者轉(zhuǎn)向更好的人車互動體驗和安全駕駛，市場需求要求他們采用與智慧手機(jī)相同的速度和創(chuàng)新來適應(yīng)新技術(shù)，這對汽車制造商造成了很大壓力，但也可以為他們的汽車品牌創(chuàng)造差異化。消費者想要更好的車載體驗/互動性，并期望使用者介面更加自然和直觀。

創(chuàng)新技術(shù)加持　汽車安全性升級

為實現(xiàn)更好的安全功能，消費者希望使用安全自動化來幫助他們避免或減少任何潛在的事故。隨著汽車制造商提供更多的車載互動功能，他們還須要開發(fā)技術(shù)來保護(hù)分心的駕駛者。很多時候，事故的主要塬因就是駕駛者注意力分散、不專心，以及司機(jī)錯覺或誤判駕駛情況。

一般來說，創(chuàng)新功能首先在高階汽車上成為選項推出，然后隨著成本下降、認(rèn)知度增加和需求成長，最終大量用在主流汽車上。汽車技術(shù)創(chuàng)新的核心在于安全性，雖然某些創(chuàng)新只是為了方便而已。

今天，許多主動式安全系統(tǒng)涵蓋了廣泛的多學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)，例如行人檢測攝影機(jī)、距離測定雷達(dá)、路徑規(guī)畫和車對車無線網(wǎng)際網(wǎng)路通訊。這里討論一些目前汽車市場正在考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

.視覺感測技術(shù)

在轉(zhuǎn)向與倒車時提供查看車后的后視攝影機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)已成為主流。到2018年，美國擬強(qiáng)制要求汽車制造商在每一輛新車內(nèi)安裝后視攝影機(jī)，因應(yīng)這項法規(guī)，制造商早在2014年開始推出配備后視攝影機(jī)系統(tǒng)的新汽車。

目前的新趨勢是環(huán)視攝影機(jī)系統(tǒng)，采用四到五個廣角攝影機(jī)，安裝在汽車的前后方和兩側(cè)，提供360度鳥瞰視圖或前/后拆分視圖，而一些更先進(jìn)的系統(tǒng)甚至可以提供盲點檢測和停車輔助。

早在2005年，夜視攝影機(jī)就已經(jīng)配置在奔馳S系列汽車中?，F(xiàn)在，E系列汽車也提供這項技術(shù)。通常，夜視攝影機(jī)使用長距離發(fā)光二極體(LED)燈，使汽車前方的距離看的更遠(yuǎn)。當(dāng)前的夜視攝影機(jī)還增加了行人檢測，當(dāng)行人或物體靠近車輛時，以監(jiān)視器或汽車擋風(fēng)玻璃上的抬頭顯示器(Heads-up Display)給駕駛者提供警告資訊。

自動遠(yuǎn)光車前燈(High-beam)控制是一項新的技術(shù)，使駕駛者能夠更好地看清道路彎道周圍。根據(jù)公路損失資料協(xié)會(Highway Loss Data Institute)的調(diào)查，使用自動調(diào)節(jié)車前大燈(Adaptive Headlights)后，財產(chǎn)損失責(zé)任保險的索賠下降了10%。為實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)車前大燈，攝影機(jī)被安裝在后視鏡上，當(dāng)汽車接近迎面而來的車輛，以及汽車在同一方向行駛中超車時進(jìn)行檢測，并關(guān)掉遠(yuǎn)光燈。它可以在近光和遠(yuǎn)光間切換，但會根據(jù)迎面車輛的接近距離而逐漸增大或降低燈光分布。此外，它還可在急轉(zhuǎn)彎時對遠(yuǎn)光燈進(jìn)行調(diào)暗，在完成轉(zhuǎn)彎后，假如沒有迎面車輛駛近時，重新啟用遠(yuǎn)光車前燈。

其他創(chuàng)新的車輛安全特性包括自我調(diào)整導(dǎo)航控制、車體前部碰撞警報系統(tǒng)、自動緊急制動;行人檢測和車道偏離報警也越來越普及。這些特性使用攝影機(jī)或者攝影機(jī)加雷達(dá)/雷射雷達(dá)來監(jiān)測道路以及危險狀況，甚至有時輔助駕駛者來自動煞車，從而避免撞車。因此，自動緊急煞車(Autonomous Emergency Braking， AEB)系統(tǒng)在新汽車中日益普及。

駕駛者監(jiān)控是汽車技術(shù)中的最新應(yīng)用，可不斷評估駕駛者適合駕駛的能力。駕駛者監(jiān)控系統(tǒng)，使用攝影機(jī)來檢測瞌睡的駕駛者，當(dāng)認(rèn)為駕駛者疲勞或不清醒時便發(fā)出視覺或聲音警告。駕駛者監(jiān)控系統(tǒng)須要考慮的其他因素還包括車速、道路狀況、加速和減速模式。

在不久的將來即可應(yīng)用到車輛上且建基于視覺的技術(shù)，包括了用于人車(Human-car)介面的手勢識別、后視鏡/側(cè)視鏡替代方案，以及安全氣囊配置。在手勢控制中，駕駛者可以與資訊娛樂中心或控制臺相連接，毋須觸摸任何按鈕或顯示器。這些功能是非常有用的，利用抬頭顯示器將部分儀錶盤投射到駕駛者前方的擋風(fēng)玻璃上。在后視鏡/側(cè)視鏡替代方案方面，可使用攝影機(jī)在汽車顯示器上即時顯示后方/側(cè)方的狀況。至于安全氣囊配置，攝影機(jī)可以檢測方向盤后駕駛者的準(zhǔn)確位置，萬一發(fā)生碰撞，安全氣囊可以精確配置來保護(hù)駕駛者的要害部位。這些新功能的一個實際例子就是雪佛蘭(Chevrolet)的2015款 Corvette，其帶有用于性能資料記錄儀的攝影機(jī)，按照駕駛者的視角安裝在頂蓬裝飾中，并將資料記錄在SD卡，通過遙測硬體和軟體來測量速度、制動G 力(G-force)。

.雷達(dá)感測技術(shù)

由于成本下降，越來越多雷達(dá)系統(tǒng)被用于汽車應(yīng)用中，尤其在短程和遠(yuǎn)端檢測和識別中更為明顯。遠(yuǎn)端雷達(dá)系統(tǒng)通常安裝在汽車的前部，用于前視應(yīng)用，比如自我調(diào)整導(dǎo)航控制、制動輔助和碰撞警報。奧迪(Audi)的Pre Sense Front Plus是遠(yuǎn)端雷達(dá)系統(tǒng)實例，設(shè)計用于幫助避免或減少碰撞前方車輛后部的事故，無論前方車輛是移動中還是靜止的。短程雷達(dá)系統(tǒng)包括盲點檢測、側(cè)碰警報、兩側(cè)來車警告系統(tǒng)(Cross-traffic Alert)和車道變換支援。克萊斯勒(Chrysler)的Cross Path Detection System包括外側(cè)視鏡中的視覺指示器。福特(Ford)的系統(tǒng)稱為Cross Traffic Alert，是外側(cè)視鏡報警指示器。

近期的技術(shù)發(fā)展推動是將無線連接增加到車輛中。這種設(shè)計的優(yōu)勢之一是采用無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)訊號組合，車輛可以與其他車輛(V2V)或道路基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)進(jìn)行通訊。

這方面的實例就是在一列車輛中，當(dāng)前面一部汽車開始煞車，后面的所有車輛都接收到訊號并相應(yīng)地修改速度和距離。在車輛對基礎(chǔ)設(shè)施通訊實例中，汽車可以變成一個熱點，并用無線電接收任何建基于位置的服務(wù)資訊。聯(lián)網(wǎng)汽車還可以與自動駕駛聯(lián)合工作。美國國家公路交通安全管理局(National Highway Transportation Safety Administration， NHTSA)最近宣布，鑑于美國聯(lián)網(wǎng)車輛具有「極佳的安全效益」，他們正提議在10年內(nèi)強(qiáng)制在新汽車中使用某些技術(shù)。該公告給制造商發(fā)出訊息，那就是車聯(lián)網(wǎng)的車輛代表了汽車安全的下一階段發(fā)展趨勢。

ADAS應(yīng)用熱潮驅(qū)動　影像感測技術(shù)受矚目

到目前為止，本文已經(jīng)探討了許多新的汽車技術(shù)。在所有這些技術(shù)中，以影像為基礎(chǔ)的系統(tǒng)是最突出的。隨著攝影機(jī)成本下降、攝像感測器的性能提升和智慧視覺演算法的發(fā)展，在不久將來，至少八到十個攝影機(jī)將在后視/環(huán)視和夜視攝影機(jī)、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、視鏡替代和行車記錄儀、駕駛/車輛介面等應(yīng)用中使用。不久將來，正如手機(jī)一樣，由于攝影機(jī)可提供的安全性和便利，當(dāng)消費者決定購買汽車時，攝影機(jī)將成為汽車的關(guān)鍵差異化因素。根據(jù)產(chǎn)業(yè)的調(diào)查研究，到 2020年攝影機(jī)出貨量將上升到超過二億部。汽車攝影機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵成長因素將會是ADAS，2014年歐洲NCAP開始推動這項安全要求，而從2018年開始，美國將強(qiáng)制實施后視(Review-view)攝影機(jī)。另外，環(huán)視攝影機(jī)應(yīng)用和停車輔助也將在這段預(yù)測期間快速成長。

與手機(jī)用攝影機(jī)不同，汽車用攝影機(jī)的要求更嚴(yán)格，尤其在低照度下的性能、動態(tài)范圍、近紅外線(NIR)敏感性、在攝氏-40到+105℃寬溫度范圍下的圖像品質(zhì)、長期可靠性、圖像資料完整性和穩(wěn)健性等方面。另外，所有出貨給汽車應(yīng)用的圖像感測器都要求符合AEC-Q100以及在ISO/TS 16949認(rèn)證的設(shè)施中生產(chǎn)。如果在廣泛的品質(zhì)/可靠度性能方面沒有大量的研發(fā)和投入，就很難為汽車視像系統(tǒng)設(shè)計和制造圖像感測器。隨著安全應(yīng)用中智慧設(shè)計的增加，例如ADAS，圖像感測器的性能也須要相應(yīng)地提高。以下是在圖像感測器技術(shù)方面的某些關(guān)鍵進(jìn)展，可滿足當(dāng)前和未來汽車視像系統(tǒng)的需求。圖1說明了圖像品質(zhì)的重要性。

圖1　圖像品質(zhì)的重要性

.低照度功能

對于汽車應(yīng)用來說，低照度下的性能非常重要。例如，在后視攝影機(jī)中，有時僅有的光源來自汽車的倒車燈。為了看到21公尺長(70英尺)和6公尺寬(20英尺)的汽車后部區(qū)域，須要安裝具有非常好圖像感測器的攝影機(jī)，以便在低于1勒克斯(Lux)的環(huán)境中進(jìn)行查看。為創(chuàng)建此類低感光感測器，DR- PIX技術(shù)利用了動態(tài)響應(yīng)像素，在一個像素的設(shè)計中結(jié)合了兩種工作模式：低轉(zhuǎn)換增益模式和高轉(zhuǎn)換增益模式。低轉(zhuǎn)換增益模式用于明亮場景中的大電荷處理能力;而高轉(zhuǎn)換增益模式則用于低光場景中增加感光度并降低讀取雜訊。這樣，在所有照明條件下，感測器都提供了所具有的最佳雜訊性能。

.動態(tài)范圍

在實際駕駛情況下，常常會遭遇很有挑戰(zhàn)性的高反差背光條件。如果有太亮的光，部分圖像可能發(fā)白或出現(xiàn)斑點。

更糟的是，如果場景既有非常明亮的區(qū)域，也有非常暗的區(qū)域，普通攝影機(jī)將很難準(zhǔn)確地捕捉整個場景，這樣的極端情況須要攝影機(jī)在超過100dB的動態(tài)范圍內(nèi)工作。

如果沒有高動態(tài)范圍(HDR)，交通標(biāo)誌識別、物體檢測等ADAS應(yīng)用中的準(zhǔn)確性將會變差。為實現(xiàn)HDR攝影機(jī)，圖像感測器需要特殊的曝光技術(shù)來增強(qiáng)動態(tài)范圍，以便捕捉非常亮和非常暗的部分場景。靈敏的HDR汽車成像儀(Imager)，能夠在明顯不同的照明條件下工作，而這正是汽車攝影機(jī)應(yīng)用的一個關(guān)鍵特性。

.NIR敏感性

駕駛者監(jiān)控、手勢控制和夜視等新興應(yīng)用需要非常高的近紅外光敏感性，因為此類應(yīng)用需要850至940nm的近紅外線光譜儀來照亮場景或?qū)崿F(xiàn)3D 感測工作。近紅外線光譜儀是一種結(jié)構(gòu)光模式，非常靈敏的NIR成像儀可以感測此類資訊，并傳送微點(Micro Dots)資訊來進(jìn)行編譯處理。普通的感測器通常無法獲取任何940nm的NIR光，但藉著特殊設(shè)計和制程技術(shù)，已有公司開發(fā)出NIR感測器，能夠在非常極端的范圍內(nèi)吸收NIR光。

無人駕駛將掀起汽車產(chǎn)業(yè)革命

隨著ADAS和后視/環(huán)視攝影機(jī)的發(fā)展，汽車正變得越來越智慧和越來越安全?；パa式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像感測器的性能，將成為準(zhǔn)確捕捉不同環(huán)境條件下場景的關(guān)鍵因素。如果無法正確地捕捉場景資訊，系統(tǒng)下游的其余部分可能影響資料的準(zhǔn)確性，因而導(dǎo)致錯誤的決定。在系統(tǒng)采集和處理之初，建基于視覺解決方案的CMOS圖像感測器提供準(zhǔn)確的資料做為開始是極其重要的。隨著ADAS系統(tǒng)變得更先進(jìn)，它將為朝向自動駕駛(Autonomous Vehicles)趨勢發(fā)展做好準(zhǔn)備。借助結(jié)合V2V和V2I的連接，自動駕駛是汽車技術(shù)發(fā)展過程中的下一件大事。

試想像世界上很少發(fā)生車禍、只有少許的交通堵塞和與駕駛相關(guān)的壓力，而自動駕駛正為未來駕駛帶來這樣的一個發(fā)展愿景。谷歌(Google)是倡導(dǎo)無人駕駛汽車的著名企業(yè)之一，包括日產(chǎn)(Nissan)、沃爾沃(Volvo)、奧迪、寶馬(BMW)、凱迪拉克(Cadillac)、福特、通用汽車(GM)、奔馳(Mercedes-Benz)、豐田(Toyota)和大眾(Volkswagen)等眾多汽車制造商，也已開始測試無人駕駛汽車。

許多產(chǎn)業(yè)專家預(yù)測，自動駕駛將從2025年開始在大眾市場應(yīng)用中成為現(xiàn)實。美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)正在考慮設(shè)置自動駕駛專用車道，自動駕駛將成為未來歲月里的顛覆性技術(shù)。有許多討論是關(guān)于如何加快自動駕駛技術(shù)的大量應(yīng)用，奠基于CMOS圖像感測器的視覺系統(tǒng)將成為實現(xiàn)此一目標(biāo)的關(guān)鍵因素。政府和汽車制造商正在為未來無駕駛者汽車應(yīng)用而努力推動基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，自動駕駛汽車將會成為汽車誕生以來最偉大的交通業(yè)發(fā)展進(jìn)步。