创新成像/图像处理技术打造更安全的智能汽车

2011-12-21 20:40:12来源: 电子工程专辑

  在过去五年中,汽车行业中驾驶辅助系统(automotive driver assistance systems,ADAS)领域取得了显著进步,真正地丰富了驾驶体验,并为驾驶员提供了非常宝贵的道路信息。本文将讨论其中的某些功能在未来如何成为智能汽车的一部分,并且带来全新的驾驶员辅助创新功能,同时重点论述最新的成像和图像处理创新技术,以及它们在用于这些系统时如何推动这些创新功能向前发展。

  安全驾驶相关的内容

  汽车行业一直在持续推出创新的安全驾驶技术,防抱死制动、全轮驱动、车载导航和电子稳定控制等就是其中的例证,这些驾驶技术快速流行并在整个行业中得到运用。

  经常由政府机构强制执行的安全标准正在日益关注汽车领域中的新技术,这些新技术不仅可以提高安全性,同时也可提升用户体验。这使得供应商不仅可以实现自身的差异化,也可以获得更高的投资回报。

  驾驶辅助系统介绍

  自1990年代初期以来,ADAS系统开发人员一直力求提供更安全、更便利的驾驶体验。在过去二十年里,超声波停车辅助系统、自适应巡航控制系统(Adaptive Cruise Control,ACC)和车道偏离警示系统(Lane Departure Warning,LDW)等功能已经部署在高端汽车上。最近,汽车制造商已经增添后视摄像头、盲点监测和环视系统作为功能选项。除了超声波停车辅助系统之外,ADAS系统的部署数量非常有限;然而,有预测指出,在下一个十年里ADAS系统部署将增长迅速。

  除了政府法规和消费者非常感兴趣的安全功能之外,远程传感器、以及在提取和解释关键信息的相关处理算法方面的创新正在推动ADAS系统部署增加。假以时日,随着基于摄像头系统的处理功能扮演越来越重要角色,这些ADAS系统将变得更先进,并从高端汽车走向主流汽车。

  汽车驾驶辅助系统的发展趋势

  随着摄像头性能和成本的持续改进,带来的好消息是新的安全功能有可能用于主流车型。最近的市场研究报告指出,汽车制造商正准备利用多种不同的途径来进行障碍探测,而且基于摄像头系统将可以应用在单独配置和与其它传感器技术共用的两种配置。

  所有主要供应商正积极开发基于摄像头的感测技术;然而,对于哪种应用将在市场上首先启动,甚至对于哪种应用最适合于摄像头传感,他们并没有取得一致意见。

  随着功能改善和图像处理技术的成熟,从长期发展前景看,汽车摄像头显示出爆炸性增长潜力。在目前的开发状况下,几乎每款主动安全系统都将摄像头传感器列入其远景计划中。以下我们讨论需要密切关注的某些系统和技术。

  自适应巡航控制系统(ACC)

  自适应巡航控制系统(ACC)是高档汽车的可选功能,使用雷达或激光设置,可让汽车在接近另一辆汽车时减速,并当交通许可时再次加速到预设的速度。对于未来将增添更多安全功能的智能汽车,该系统可能成为基本配置。

  车道偏离警示系统(LDW)

  至于车道偏离警示系统(LDW),2003年美国国家公路交通安全管理局(National Highway Transportation Safety Administration,NHTSA)的研究结果表明,55%的死亡事故是汽车偏离车道并与另一辆汽车或路边障碍物相撞引起的。这一事实支持业界对LDW系统的关注,该系统可在汽车偏离其指定的车道时向驾驶员发出警示。

  最近,车道偏离警示系统(LDW)、碰撞缓解(Collision Mitigation,CM)和/或碰撞警示(Collision Warning,CW)连同交通标志识别(Traffic Sign Recognition)等功能正开始被引入到汽车中。

  基于摄像头的LDW系统使用安装在后视镜后面的小型摄像头来检测路上的车道标志。摄像头检测路边标志,并在驾驶员没有使用转向信号而无意之中穿过车道时发出譬如方向盘振动等警示信号,来劝告驾驶员纠正他们的路线。

  在结合使用雷达和摄像头技术的系统中,摄像头摄取的图像随同汽车速度一起被发送至系统微处理器,在那里信息被用来计算汽车和车道标志间的距离以及相对于车道标志的横向速度变化率。然后微处理器将其与程序设定相比较,来确定汽车是否正在偏出它的车道。假如通过距离和横向速度分析,确定汽车正在偏出车道,就可以通过仪表盘上指示灯和/或类似蜂鸣器的警告声来提醒驾驶员。

  碰撞缓解或碰撞警示

  

图1. 碰撞警示、缓解和制动的重要性

  可以使用雷达和/或图像传感器相结合的系统来直接测量与前方汽车目标的距离和相对速度,如果识别出潜在的碰撞,会触发警报来提醒驾驶员;此警报可以是听得见、看得见、或感触得到的。前部碰撞警示系统可以使用具有目标识别功能的前视摄像头;它与警告装置相连接,可以把可视的、可听的、或其它信号反馈提供给驾驶员,提示即将发生的可能碰撞,比如提供制动脉冲来提示驾驶员需要刹车。

  交通标志识别

  交通标志识别是一项可让汽车识别的道路交通标志技术,例如识别“限速”或“儿童”或“前方转弯”标志。目前这些系统仅用于检测速度限制,但将来,此技术有可能将其它交通标志信息的使用整合在ADAS系统中。

  驾驶辅助感测技术发展趋势

  CMOS传感器的研发活动已经在利用其他市场的技术来生产不仅可用于汽车环境下的器件,而且也满足严格的成本要求。

  虽然超声波感测技术一直在引领市场,但IMS研究机构的研究数据(图2)表明摄像头技术将在未来数年占据主导地位。

  

  图2. 驾驶辅助传感器市场

  满足ADAS处理和观察平台要求

  摄像头传感器的独特属性是输出原始和经过处理数据。可以直接显示来自摄像头的原始视频,让驾驶员识别和评估危险状况,这是使用其它类型的远程传感器(例如雷达)所无法完成的。作为选项甚至同时功能,可以使用图像分析来处理视频输出以提取关键信息,比如行人的位置和移动。摄像头允许系统架构产生即时可视化数据提供给驾驶员,并将数据流送至分析处理器,用于更进一步的场景分析和系统响应。此概念的基本架构说明如图3所示。

  

图3. 基本的观测和处理摄像头架构

  在当今的汽车市场中,Aptina是传感器和SoC(包括传感器阵列和图像处理的系统级芯片)的领先供应商,这些产品用于场景观察和场景处理应用。由于传感器分辨率和处理需求的增长,使得在一颗芯片上集成传感器和图像处理变得更为困难,这是因为功耗增加、对图像品质的影响和暗电流的增大。为了满足此需求,Aptina计划提供传感器加上单独的协同芯片(Companion Chip,CC)解决方案以实施图像处理。

  Aptina的传感器+图像处理协同芯片方案也适用于双数据流应用。例如,宽视野(wide-field-of-view)摄像头系统与经失真校正的图像可以用于汽车前方区域的观察应用,同时可为物体检测等ADAS功能提供便利。假如检测到目标从旁边进入到汽车车道,可产生声响报警(与电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)联合处理)。

  根据这类应用,可以得出有关ADAS系统要求的结论:

  ·必须支持视频处理和图像处理这两项功能。在这种情况下,视频处理指的是原始摄像头数据的适当处理,用于显示供驾驶员观看,而图像处理指的是从视频流中提取目标运动等信息的应用分析。

  ·必须提供并行数据通道,用于同时运行功能的相关运算。

  ·需要百万像素图像分辨率以支持多种新功能和应用,尤其是场景处理技术。

  执行这些功能所需的大致数据处理,会很快超过ECU的数字信号处理器所能提供的能力;Aptina图像传感器+ Aptina协同芯片组合是有效的方式,可以在摄像头模块中提供局部图像处理功能,用于观察应用,例如可支持后视或环视,而同时在ECU中执行先进的分析处理。

  将传感器和图像处理功能适当分开的额外优势可以总结为:

  1. 低功率解决方案与百万像素(Mp) SOC

  2. 采用相同的图像处理芯片,在传感器选择方面有更大灵活性,改进了上市时间

  3. 有助于实现双数据流工作模式,一个传感器可同时用于观察和处理应用

  用于新兴汽车市场的摄像头

  摄像头正在越来越多地成为汽车行业先进驾驶辅助解决方案的一个关键部件。这些摄像头可以用于多种应用,比如道路标志识别、后视停车距离控制(park distance control,PDC)和车道偏离警示(LDW)等。今天,许多新型汽车装有数个摄像头,他们精确布置以覆盖整个汽车周边,从而实现优化的安全系统。

  汽车行业正面对来自政府机构、非政府组织和消费者本身的持续压力,他们要求生产可以更安全驾驶的汽车。就摄像头应用来说,美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)已提出,紧靠每辆汽车的后面必须确定特定区域,当汽车进行倒车操作时,驾驶员务必能够看到这个区域。对于所有在美国销售的客运车辆,此提议的采用预计可以显著减少由后部碰撞引起的死亡事故和伤害,有利于涉及到的儿童、残疾人、老人、以及其他行人。

  在汽车中整合更多先进感测技术的趋势仍将继续。我们今天已经看到一些提议安装的典型ADAS系统,该系统可以提供ACC + LDW + CW(自适应巡航控制系统+车道偏离警示系统+碰撞警示)功能。采用具有传感器和图像处理功能的解决方案势在必行,它们有助于实现各种配置以及不同的应用,比如用于后视和/或环视功能的视觉系统。

  在这些先进的基于摄像头的汽车安全系统内,增强的成像和感测功能开启了一个充满无限可能的世界。基于摄像头的视觉系统可与具有长视野的长距离雷达、具有更宽视野的短距离雷达或超声波传感器相辅相成,让驾驶员看清前方和后方的道路。因此,增加一套数据信息可用来确认所获取整个图像的准确性。例如,来自雷达和摄像头的数据可以使驾驶员在使用制动系统等决策方面具有更高的自信。

  结论

  汽车行业正在面对需要生产能够更安全驾驶汽车的持续压力。今天,基于摄像头的观察系统已成为开发更先进的安全系统的关键。在这些系统内,CMOS图像传感器不仅满足了宽动态范围(WDR)和弱光(low-light)性能要求,它们还对于价格敏感的汽车市场提供了非常关键的规模经济效益,有助于在这个细分市场实现大幅度增长。

 

关键字:技术  打造

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/1221/article_4894.html
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