高动态范围CMOS图像传感器在汽车视觉系统中的应用

1. 简介

随着汽车安全重要性的凸显，行车辅助系统（Driving Assistance System，DAS）在汽车领域的应用越来越广泛。在这类应用中，图视觉系统是必不可少的一个组成部分，其必须快速、精确地感知各种路况，进而提前预警或控制车辆行为。这要求系统的前端----摄像头能够最大限度地适应不同的光照条件，提供路况场景的细节信息。

图1显示了汽车视觉系统的主要应用，包括前视、后视、侧视、内视等。以前视为例，夜视（Night Vision，NV）、车道偏离预警（Lane Departure Warning，LDW）、碰撞预警（Collision Warning，CW）、交通标志识别（Traffic Sign Recognition，TSR）等应用要求视觉系统在各种天气、路况条件下，能够清晰识别车道线、车辆、障碍物、交通标志等。所有这些功能要求图像传感器的动态范围（Dynamic Range，DR）足够高，为后级图像处理系统提供丰富的细节信息。

本文主要讨论图像传感器在汽车视觉系统中的应用。第二部分介绍汽车视觉系统对图像传感器性能的要求，第三部分讨论高动态范围图像传感器技术。第四部分对本文作一个总结。

2. 汽车视觉系统中的图像传感器

图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的器件，是摄像头的重要组成部分，如图2所示。在典型汽车应用中，视觉系统要处理一些复杂的路面情况，比如来面向阳光行车、进出隧道、以及夜间会车时对面车辆前照灯等。这类路况要求摄像头，以及其中的图像传感器能够自动适应这类复杂场景，否则图像中细节信息的损失很难通过后级信号处理方法来恢复。

一幅画面中，最亮部分和最暗部分亮度的比值被称作动态范围，比如，阳光直射下某亮色物体亮度大约是100kcd/ m2，阴影下的暗色物体亮度大约是100mcd/ m2。某场景若同时包括这两种物体，则图像的动态范围是120dB。只有图像传感器的动态范围高于120dB，汽车视觉系统才能有效地对该场景进行图像采集。

考虑到夜间行车，有些道路没有路灯或者路灯很暗，汽车视觉系统也需要在低光照场景下采集路况信息。针对汽车应用，图像传感器需要满足一系列汽车级要求，如宽温度范围、高可靠性、高集成度、低成本等。表1总结了汽车视觉系统中图像传感器应该具有的性能：

3. Melexis高动态范围图像传感器技术

由于CMOS技术的高集成度、高稳定性、低成本，基于CMOS技术的图像传感器应用越来越广泛，已经成为绝大多数视觉系统的首选。CMOS图像传感器的像素中包含一个光敏二极管，在光照激励下产生和光强度呈正相关的光电流。通过在一定曝光时间内对光电流积分，可以把光学图像信号装换成像素的电子信号输出，其响应特性如图3（a）所示。因为供电电压幅度以及传感器噪声的限制，传统CMOS图像传感器的动态范围和成像细节是一对矛盾：增加曝光时间可以改善细节但同时减低动态范围，反之降低曝光时间可以提高动态范围但不利于细节显示。传统CMOS图像传感器中的这对主要矛盾，使其不能完全满足汽车视觉系统的要求。

针对CMOS技术的特点，Melexis开发了基于Autobrite技术的CMOS图像传感器MLX75412，以图3（b）所示的非线性响应特性解决前述矛盾，大幅提高了图像传感器的动态范围，使其符合表1中所列所有标准。通过Autobrite技术对像素进行分段曝光/复位控制，图像传感器的动态范围拓展到154dB。集成的反馈控制算法分析所采集到的图像，实时调整传感器的曝光时间和动态范围，显著提高了在复杂路况下图像采集的质量。

MLX75412的集成图像增强功能Autoview，能够实时调整图像亮度和锐度，减轻了后级信号处理系统的计算量。同时，由于MLX75412中集成的12位图像处理流水线，其图像处理精度高于通常使用的8位图像处理。MLX75412提供了标准的原始视频信号输出和I2C控制信号输入，兼容绝大多数DSP或FPGA。考虑到汽车应用，MLX75412提供1024×512分辨率的宽屏画面，采集更广范围的图像，便于识别路两侧的行人或交通标志。

图4比较了普通CMOS图像传感器和基于Autobrite技术的图像传感器的成像效果。在图4（a）中，因为传感器的动态范围不能有效地适应场景的动态范围，图像的暗处和亮处的细节体现较差。与此形成对比，通过使用Autobrite技术，图4（b）所示图像对亮和暗的区域都有很好的细节体现。对于车道偏离预警、障碍识别等应用来说，高动态范围图像中的细节信息可以大幅提升行车辅助系统的精确度。

4. 结论

本文分析了汽车视觉系统对图像传感器性能的需求。汽车视觉系统的工作取决于其前端----摄像头采集图像信息的能力，而这在很大程度上由其中的图像传感器决定。为了在复杂路况条件下采集场景细节，传感器必须具有高动态范围、高光敏度。考虑到汽车应用，其同时必须具有高可靠性、高集成度、高灵活性。

Melexis MLX75412是基于Autobrite技术，针对汽车视觉系统应用的一款高动态范围CMOS图像传感器。Autobrite技术能在亮度差异极大的复杂路况条件下采集高质量图像，为行车辅助系统提供精确、可靠的场景细节信息，从而提高行车的安全性。