近年来, 在政府对汽车安全法令的贯彻和实施、消费者驾乘体验及自动驾驶的趋势推动下,汽车图像传感器领域呈爆发式增长。汽车图像传感有着广泛的应用领域,具有卓越性能和先进的图像处理能力的图像传感器在提高行车安全的同时还提升用户驾乘体验,成为近年来汽车领域的炙手可热的技术。预测显示,2014-2018 年间汽车 CMOS 传感器市场的收入年复合增长率(CAGR)将达到 28%。


汽车图像传感器主要应用领域
汽车图像传感器的应用非常广泛,包括用于视觉应用如倒车影像、前视、后视、俯视、全景泊车影像、车镜取代,用于车舱内如乘客监控、疲劳驾驶监测、仪表盘控制、行车记录仪(DVR)、气囊,用于先进驾驶辅助系统(ADAS)如正向碰撞警告、车道偏离警告、自动远光灯控制、交通信号识别、行人检测、自适应巡航控制、盲点检测、夜视等等。


影响成像品质的关键性能
微光性能、动态范围及图像信息处理能力是影响成像品质的关键因素。


1.微光性能是筹码
微光性能对于汽车影像系统是相当重要的,卓越的微光性能可提高在夜间等光线很暗的情况的行车安全。图像传感器厂商都以“在暗处能看见”为目标。


2.高动态范围(HDR)
HDR 是汽车影像系统应用的另一个重要特性,确保摄像机可在宽范围的光线 、黑暗和高光照对比情况下清楚地呈现场景细节,提高图像信息的精确度从而提升安全性。


3.广角鱼眼畸变校正(DEWARP)
广角鱼眼镜头用于车载影像具有宽广视野的优势,但采集到的图像信息会产生一定程度的失真,采用 DEWARP 技术可对广角鱼眼镜头所产生的视频图像失真进行实时校正,将图像复原展平。


4.图像叠加
图像叠加指通过图像传感器与图像处理辅助芯片结合使用,实现图像的延伸、缩放、右视、两板左 / 右视、三联式画面及倒车动态辅助线。图像叠加功能可以更好地辅助驾驶员看清周围环境,减少事故率。


安森美半导体的汽车图像传感器方案
自 2004 年推出全球首款汽车 CMOS 图像传感器以来,安森美半导体为汽车行业提供专用成像方案已有超过 10 年的经验,已成为全球汽车应用图像传感器的翘楚,市占占整个汽车传感器市场的 46%,用于 ADAS 的图像传感器市占率为 70%,在后视影像领域及 ADAS 领域均为市场第一;从品质和性能方面来讲,安森美半导体的汽车图像传感器完全符合 AEC-Q100,并提供卓越的微光性能、单芯片多重曝光的高动态范围(HDR,>120 dB),以及汽车级应用优化如鱼眼畸变校正和图像叠加,并于 2015 年推出全球首款支持 ASIL 的(汽车安全完整性等级)图像传感器。针对某些应用,安森美半导体还提供具有卓越性能的全局快门影像传感器,如用于车舱疲劳检测应用的近红外(NIR)方案。为配合市场朝高清趋势的迈进,安森美半导体推出大量 100 万像素方案,未来还将开发更多 1080p 传感器。


图 1:汽车图像传感器应用和安森美半导体市场地位


ASX344/340/350AT 是用于倒车影像的系统级芯片(SoC),在单芯片上集成图像信号处理器,增强的像素性能提供微光条件下的更高能见度,支持高达 4 层的图像叠加以向显示系统提供更多的倒车信息,支持数字缩放和平移,并附加光学中心点矫正功能,这可为客户提供相机组装生产后镜头中心点矫正功能,从而节省成本。这三款图像传感器都完全通过 AEC-Q100 认证,并具备 -40°C 至 105°C 的宽工作温度范围,它们的不同之处在于:ASX344AT 还集成鱼眼畸变校正功能和提供 UART 控制接口,定位为“高性能”的方案;ASX350AT 的光学格式为 1/5 英寸,不同于 ASX344/340AT 的 1/4 英寸,定位为“高性价比”的方案;而 ASX340AT 定位为“主流”方案。设计人员可根据目标客户的具体需求选择有针对性的方案。


表 1: ASX344/340/350AT 具体规格


表 2:ASX344/340/350AT 配置选择


ASX344AT 的鱼眼畸变校正功能提供 180o 更广的场景覆盖,传感器动态范围体现出良好的 DR-Pix 像素技术,无论在白天还是夜间都较未经鱼眼校正的镜头更具安全优势。如图 1 所示,未经鱼眼校正的镜头没有捕捉到小黄人的图像信息,而经鱼眼校正后,驾驶员可从显示器看到车后的两个小黄人,从而避免倒车时的安全隐患。


图 2:ASX344AT 鱼眼畸变校正示例(左:白天;右:夜间)


ASX34xAT 系列在白天(典型情况为 100-200 lux 明亮的光)和夜晚(典型情况为汽车倒车摄像头在夜晚约 10 lux 使用刹车灯和倒车灯)都较同类竞争器件提供更好的色彩饱和度和对比度,如图 2 红圈所示,在白天 180 lux 的光照条件下,竞争器件采集到的图像过度锐化,且色彩边界有灰斑;在夜晚微光 9.5 lux 的光照条件下,竞争器件采集到的图像过度锐化,且有更多的噪声。
 

   

 

 

图 3:ASX34x 与竞争器件的成像比较


当现有 ADAS 和视觉应用融合, ASIL 将是用于新系统的合规性和适用性的参考点,ASIL B 级合规是当前 ADAS 设计师的目标。安森美半导体推出全球首款支持 ASIL B 的 230 万像素 CMOS 图像传感器 AR0231AT。该器件采用减少 LED 闪烁 (LFM) 的突破性 技术,为 ADAS 应用确立了一个新基准。LFM 技术消除交通信号灯和汽车 LED 照明的高频 LED 闪烁,令交通信号阅读算法能于所有光照条件下工作。AR0231AT 具有 1/2.7 英寸(6.82 mm)光学格式和 1928(水平) x 1208(垂直)有源像素阵列。它采用最新的 3.0 微米背照式(BSI)像素(背照式传感器通常提供较前照式传感器更高的灵敏度)及安森美半导体的 DR-Pix™技术,提供双转换增益以在所有光照条件下提升性能。它以线性、HDR 或 LFM 模式捕获图像,并提供模式间的帧到帧情境切换。AR0231AT 提供达 4 重曝光的 HDR,以出色的噪声性能捕获超过 120 dB 的动态范围,能同步支持多个摄相机,以易于在汽车应用中实现多个传感器节点,和通过一个简单的双线串行接口实现用户可编程性。它还有多个数据接口,包括 MIPI(移动产业处理器接口)、并行和 HiSPi(高速串行像素接口)。其它关键特性还包括可选自动化或用户控制的黑电平控制,支持扩频时钟输入和提供多色滤波阵列选择。


针对具挑战性的应用如驾驶员监控,安森美半导体推出行业首款全局快门传感器 AR0135AT,较前代产品低 10 倍的暗电流和高 4 倍的快门效能。


此外,安森美半导体还提供先进的图像协处理器用于总系统方案,如 AP0200AT 图像协处理器经优化用于后视摄像机并提供以太网输出,集成支持镜头畸变校正和鱼眼矫正的空间转换引擎(STE),和精密的叠加图形引擎;AP0201AT 图像协处理器也提供以太网输出,针对基于以太网的全景倒车摄像;AP0202AT 图像协处理器针对数字全景倒車摄像,采用 24 位并行输出;AP0102AT 图像协处理器针对 100 万像素 720p 后视摄像,含 STE 和叠加图形引擎。这些协处理器都提供符合汽车安全完整性等级(ASIL)A 级和 B 级的功能安全特性。AP020x 系列可与现有的图像传感器如 100 万像素 AR0140AT、 AR0132AT 和 AR0136AT 及新的 200 万像素 1080p 传感器 AR0230AT 结合协调使用。


结语
汽车安装摄像机可消除传统车镜的视线盲区,降低交通事故率,也是迅猛发展的车联网的基础,将会逐步在实践中得到推广和应用,甚至成为汽车标配。图像传感器是其背后功臣。安森美半导体是全球汽车图像传感器的表表者,产品和方案阵容遍及各细分领域,包括视觉和 ADAS 应用,提供高动态范围、出色的微光灵敏度,和宽温度范围的卓越性能,同时针对新兴领域如车舱内检测提供卓越性能的全局快门方案,完全符合 AEC-Q100,并配合市场趋势和客户需求,持续推动新品开发,向更高分辨率、增加更多接口和符合 ASIL 的方向发展。