高動態范圍CMOS圖像傳感器在汽車視覺系統中的應用

1. 簡介

隨著汽車安全重要性的凸顯，行車輔助系統（Driving Assistance System，DAS）在汽車領域的應用越來越廣泛。在這類應用中，圖視覺系統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，進而提前預警或控制車輛行為。這要求系統的前端----攝像頭能夠最大限度地適應不同的光照條件，提供路況場景的細節信息。

圖1顯示了汽車視覺系統的主要應用，包括前視、后視、側視、內視等。以前視為例，夜視（Night Vision，NV）、車道偏離預警（Lane Departure Warning，LDW）、碰撞預警（Collision Warning，CW）、交通標志識別（Traffic Sign Recognition，TSR）等應用要求視覺系統在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識別車道線、車輛、障礙物、交通標志等。所有這些功能要求圖像傳感器的動態范圍（Dynamic Range，DR）足夠高，為后級圖像處理系統提供豐富的細節信息。

本文主要討論圖像傳感器在汽車視覺系統中的應用。第二部分介紹汽車視覺系統對圖像傳感器性能的要求，第三部分討論高動態范圍圖像傳感器技術。第四部分對本文作一個總結。

2. 汽車視覺系統中的圖像傳感器

圖像傳感器是一種將光學圖像轉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。在典型汽車應用中，視覺系統要處理一些復雜的路面情況，比如來面向陽光行車、進出隧道、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這類復雜場景，否則圖像中細節信息的損失很難通過后級信號處理方法來恢復。

一幅畫面中，最亮部分和最暗部分亮度的比值被稱作動態范圍，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，則圖像的動態范圍是120dB。只有圖像傳感器的動態范圍高于120dB，汽車視覺系統才能有效地對該場景進行圖像采集。

考慮到夜間行車，有些道路沒有路燈或者路燈很暗，汽車視覺系統也需要在低光照場景下采集路況信息。針對汽車應用，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總結了汽車視覺系統中圖像傳感器應該具有的性能：