CMOS图像传感器在汽车辅助系统中的应用

随着汽车安全重要性的凸显，行车辅助系统在汽车领域的应用越来越广泛。在这类应用中，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。

图1 汽车视觉系统的主要应用

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。

图2 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：

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。