高動態范圍CMOS圖像傳感器在汽車視覺系統中的應用

3. Melexis高動態范圍圖像傳感器技術

由于CMOS技術的高集成度、高穩定性、低成本，基于CMOS技術的圖像傳感器應用越來越廣泛，已經成為絕大多數視覺系統的首選。CMOS圖像傳感器的像素中包含一個光敏二極管，在光照激勵下產生和光強度呈正相關的光電流。通過在一定曝光時間內對光電流積分，可以把光學圖像信號裝換成像素的電子信號輸出，其響應特性如圖3（a）所示。因為供電電壓幅度以及傳感器噪聲的限制，傳統CMOS圖像傳感器的動態范圍和成像細節是一對矛盾：增加曝光時間可以改善細節但同時減低動態范圍，反之降低曝光時間可以提高動態范圍但不利于細節顯示。傳統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的要求。

針對CMOS技術的特點，Melexis開發了基于Autobrite技術的CMOS圖像傳感器MLX75412，以圖3（b）所示的非線性響應特性解決前述矛盾，大幅提高了圖像傳感器的動態范圍，使其符合表1中所列所有標準。通過Autobrite技術對像素進行分段曝光/復位控制，圖像傳感器的動態范圍拓展到154dB。集成的反饋控制算法分析所采集到的圖像，實時調整傳感器的曝光時間和動態范圍，顯著提高了在復雜路況下圖像采集的質量。

MLX75412的集成圖像增強功能Autoview，能夠實時調整圖像亮度和銳度，減輕了后級信號處理系統的計算量。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提供了標準的原始視頻信號輸出和I2C控制信號輸入，兼容絕大多數DSP或FPGA。考慮到汽車應用，MLX75412提供1024×512分辨率的寬屏畫面，采集更廣范圍的圖像，便于識別路兩側的行人或交通標志。

圖4比較了普通CMOS圖像傳感器和基于Autobrite技術的圖像傳感器的成像效果。在圖4（a）中，因為傳感器的動態范圍不能有效地適應場景的動態范圍，圖像的暗處和亮處的細節體現較差。與此形成對比，通過使用Autobrite技術，圖4（b）所示圖像對亮和暗的區域都有很好的細節體現。對于車道偏離預警、障礙識別等應用來說，高動態范圍圖像中的細節信息可以大幅提升行車輔助系統的精確度。

4. 結論

本文分析了汽車視覺系統對圖像傳感器性能的需求。汽車視覺系統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。為了在復雜路況條件下采集場景細節，傳感器必須具有高動態范圍、高光敏度。考慮到汽車應用，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，針對汽車視覺系統應用的一款高動態范圍CMOS圖像傳感器。Autobrite技術能在亮度差異極大的復雜路況條件下采集高質量圖像，為行車輔助系統提供精確、可靠的場景細節信息，從而提高行車的安全性。