車成像傳感設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與Hayabusa圖像傳感

車載成像是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中必不可少的一環(huán)，在安全以及各類其他需求的驅(qū)動(dòng)下，車載成像系統(tǒng)的數(shù)量也在迅速增加。同時(shí)汽車成像設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)也不少，在車載環(huán)境下，圖像傳感器往往要面臨工作條件及參數(shù)要求更嚴(yán)苛的難題。

更嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在汽車的圖像世界里，除了安全方面，自動(dòng)駕駛成像面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是大場(chǎng)景下的寬動(dòng)態(tài)范圍。真實(shí)世界的場(chǎng)景通常能達(dá)到120-140dB，甚至超過(guò)140dB。明亮區(qū)域與黑暗區(qū)域之間有著極大的反差，這類情況時(shí)常會(huì)遇到，對(duì)于這類具有高動(dòng)態(tài)范圍輸出的場(chǎng)景，務(wù)必要盡可能拍攝每一個(gè)細(xì)節(jié)，以便為先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)算法提供清晰的場(chǎng)景數(shù)據(jù)。

超寬的工作溫度范圍也比普通的圖像傳感器工作溫度要求更嚴(yán)苛，傳感器必須適應(yīng)極端的工況環(huán)境，覆蓋－40℃到105℃等極端環(huán)境溫度。交通信號(hào)燈/LED路牌閃爍和偽影也給圖像傳感器出了一個(gè)很大的難題，LED屬于交流脈沖光源，其頻率和占空比都是可變的，汽車車燈的頻率一般大于90Hz，占空比大于5%。對(duì)于圖像傳感器來(lái)說(shuō)，脈沖頻率越低，占空比越小，sensor曝光時(shí)間越短，閃爍問(wèn)題就越嚴(yán)重。圖像傳感器無(wú)法識(shí)別或者對(duì)場(chǎng)景信息的誤判，會(huì)給ADAS算法帶來(lái)很嚴(yán)重的麻煩。閃爍問(wèn)題通常和高動(dòng)態(tài)范圍要求同時(shí)出現(xiàn)在場(chǎng)景中，對(duì)圖像傳感器提出了嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

專用超級(jí)曝光技術(shù)

目前實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)的兩種主流技術(shù)路線，一是時(shí)域多次曝光融合，另一個(gè)是大小像素融合。兩種技術(shù)路線的本質(zhì)其實(shí)是一樣的，都是通過(guò)拍多張照片然后融合成一張。不同的曝光之間靈敏度不一樣，采集不同的亮度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展。二者不同之處在于時(shí)域多次曝光只有一種像素，在時(shí)間上有滯后，大小像素曝光只有一次，但是有兩種尺寸的像素。時(shí)域多次曝光因?yàn)闀r(shí)間滯后，會(huì)有運(yùn)動(dòng)軌影的問(wèn)題，大小像素融合問(wèn)題更多一些，畢竟像素有差異靈敏度有差異。

安森美半導(dǎo)體推出的超級(jí)曝光像素技術(shù)路線，一次曝光可以等效以前兩次曝光的動(dòng)態(tài)范圍，解決了以前兩種主流技術(shù)路線各自的不足。超級(jí)曝光像素更易于拓展到更小的尺寸，并且沒(méi)有大小像素結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的像素串?dāng)_問(wèn)題，在汽車應(yīng)用溫度和曝光時(shí)間內(nèi)確定合適的平衡點(diǎn)以保證了圖像在噪聲、顏色、清晰度和細(xì)節(jié)上的質(zhì)量，還能有效抑制LED閃爍。在安森美半導(dǎo)體的Hayabusa（游隼）圖像傳感器平臺(tái)里，采用專有的超級(jí)曝光技術(shù)，提供通用架構(gòu)和像素性能，幫助設(shè)計(jì)人員縮減成本，加快開(kāi)發(fā)。安森美半導(dǎo)體認(rèn)為，超級(jí)曝光像素是用于視覺(jué)和ADAS功能的最佳選擇。

Hayabusa圖像傳感

傳統(tǒng)的sensor像素，像素的感光區(qū)也是存儲(chǔ)區(qū)，而Hayabusa超級(jí)曝光技術(shù)創(chuàng)新在于像素的感光和電荷的存儲(chǔ)是分離的。像素負(fù)責(zé)感光，它的容量不大，當(dāng)其飽和時(shí)，積累的電荷會(huì)轉(zhuǎn)移到外部的存儲(chǔ)電容中去，通過(guò)這種手段解決了容量的限制，方便拓展。目前這一代的Hayabusa超級(jí)曝光技術(shù)其動(dòng)態(tài)范圍拓展超過(guò)了線性像素容量的5倍，且長(zhǎng)時(shí)間曝光捕獲脈沖光而不會(huì)過(guò)飽和。據(jù)安森美半導(dǎo)體技術(shù)人介紹，下一代其拓展范圍將拓展超過(guò)線性像素容量幾十倍甚至更高。

而與大小像素相比，Hayabusa超級(jí)曝光在LFM上同樣更有優(yōu)勢(shì)。不管是低噪噪聲，還是高亮噪聲，超級(jí)曝光都展現(xiàn)出了更好的HDR特性，尤其是在較高溫度下。大小像素針對(duì)任何鏡頭設(shè)計(jì)都需要廣泛的校準(zhǔn)、多維色彩校正以及額外的增強(qiáng)去噪，這必然會(huì)導(dǎo)致細(xì)節(jié)和分辨率的缺損，而Hayabusa超級(jí)曝光則沒(méi)有此方面憂慮。
Hayabusa超級(jí)曝光還針對(duì)人眼視覺(jué)和機(jī)器視覺(jué)做了優(yōu)化，支持＞95dB動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)避免閃爍或偽影，全阱容量＞100ke-。最快可以達(dá)到60fps和極短的超級(jí)曝光時(shí)間實(shí)現(xiàn)超過(guò)120dB的動(dòng)態(tài)范圍。

小結(jié)

在車載環(huán)境下，圖像傳感器往往要面臨工作條件及參數(shù)要求更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。通過(guò)一個(gè)圖像傳感器平臺(tái)解決了汽車成像領(lǐng)域的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，Hayabusa在行業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)力十足?？紤]到汽車應(yīng)用中往往需要對(duì)測(cè)試駕駛做一系列圖像訓(xùn)練，可擴(kuò)展的圖像傳感器平臺(tái)大大減少了制造商在多個(gè)平臺(tái)上工作所需的圖像的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，成本上也是一種減負(fù)。