高动态范围CMOS图像传感器在汽车视觉系统中的应用

2016-01-21 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。


图3 (a)普通CMOS成像效果;(b)AutobriteÒ技术成像效果

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