高动态范围CMOS图像传感器在汽车视觉系统中的应用

时间： 2016-01-21 来源：世强

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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。世强代理的MELEXIS 图像传感器 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。

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1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。

图1 摄像头中的图像传感器

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：

表1：汽车视觉系统对图像传感器的要求

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2（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AutobriteÒ技术的CMOS图像传感器MLX75412，以图2（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AutobriteÒ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。

图2 CMOS图像传感器的响应特性

（a）传统线性曲线，（b）基于AutobriteÒ技术动态范围拓展曲线

MLX75412 的集成图像增强功能AutoviewÔ，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 3比较了普通CMOS图像传感器和基于AutobriteÒ技术的图像传感器的成像效果。在图3（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AutobriteÒ技术，图3（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。