隨著汽車安全重要性的凸顯，行車輔助系統(tǒng)在汽車領域的應用越來越廣泛。在這類應用中，視覺系統(tǒng)是必不可少的一個組成部分，其必須快速、精確地感知各種路況，進而提前預警或控制車輛行為。這要求系統(tǒng)的前端----攝像頭能夠最大限度地適應不同的光照條件，提供路況場景的細節(jié)信息。
圖1顯示了汽車視覺系統(tǒng)的主要應用，包括前視、后視、側視、內視等。以前視為例，夜視(Night Vision，NV)、車道偏離預警(Lane Departure Warning，LDW)、碰撞預警(Collision Warning，CW)、交通標志識別(Traffic Sign Recognition，TSR)等應用要求視覺系統(tǒng)在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識別車道線、車輛、障礙物、交通標志等。所有這些功能要求圖像傳感器的動態(tài)范圍(Dynamic Range，DR)足夠高，為后級圖像處理系統(tǒng)提供豐富的細節(jié)信息。
圖1 汽車視覺系統(tǒng)的主要應用
汽車視覺系統(tǒng)中的圖像傳感器
圖像傳感器是一種將光學圖像轉換成電子信號的器件，是攝像頭的重要組成部分，如圖2所示。在典型汽車應用中，視覺系統(tǒng)要處理一些復雜的路面情況，比如來面向陽光行車、進出隧道、以及夜間會車時對面車輛前照燈等。這類路況要求攝像頭，以及其中的圖像傳感器能夠自動適應這類復雜場景，否則圖像中細節(jié)信息的損失很難通過后級信號處理方法來恢復。
圖2 攝像頭中的圖像傳感器
一幅畫面中，最亮部分和最暗部分亮度的比值被稱作動態(tài)范圍，比如，陽光直射下某亮色物體亮度大約是100kcd/ m2，陰影下的暗色物體亮度大約是100mcd/ m2。某場景若同時包括這兩種物體，則圖像的動態(tài)范圍是120dB。只有圖像傳感器的動態(tài)范圍高于120dB，汽車視覺系統(tǒng)才能有效地對該場景進行圖像采集。
考慮到夜間行車，有些道路沒有路燈或者路燈很暗，汽車視覺系統(tǒng)也需要在低光照場景下采集路況信息。針對汽車應用，圖像傳感器需要滿足一系列汽車級要求，如寬溫度范圍、高可靠性、高集成度、低成本等。表1總結了汽車視覺系統(tǒng)中圖像傳感器應該具有的性能：
Melexis高動態(tài)范圍圖像傳感器技術
由于CMOS技術的高集成度、高穩(wěn)定性、低成本，基于CMOS技術的圖像傳感器應用越來越廣泛，已經成為絕大多數(shù)視覺系統(tǒng)的首選。CMOS圖像傳感器的像素中包含一個光敏二極管，在光照激勵下產生和光強度呈正相關的光電流。通過在一定曝光時間內對光電流積分，可以把光學圖像信號裝換成像素的電子信號輸出，其響應特性如圖3(a)所示。因為供電電壓幅度以及傳感器噪聲的限制，傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍和成像細節(jié)是一對矛盾：增加曝光時間可以改善細節(jié)但同時減低動態(tài)范圍，反之降低曝光時間可以提高動態(tài)范圍但不利于細節(jié)顯示。傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器中的這對主要矛盾，使其不能完全滿足汽車視覺系統(tǒng)的要求。
針對CMOS技術的特點，Melexis開發(fā)了基于Autobrite技術的CMOS圖像傳感器MLX75412，以圖3(b)所示的非線性響應特性解決前述矛盾，大幅提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍，使其符合表1中所列所有標準。通過Autobrite技術對像素進行分段曝光/復位控制，圖像傳感器的動態(tài)范圍拓展到154dB。集成的反饋控制算法分析所采集到的圖像，實時調整傳感器的曝光時間和動態(tài)范圍，顯著提高了在復雜路況下圖像采集的質量。
MLX75412的集成圖像增強功能Autoview，能夠實時調整圖像亮度和銳度，減輕了后級信號處理系統(tǒng)的計算量。同時，由于MLX75412中集成的12位圖像處理流水線，其圖像處理精度高于通常使用的8位圖像處理。MLX75412提供了標準的原始視頻信號輸出和I2C控制信號輸入，兼容絕大多數(shù)DSP或FPGA。考慮到汽車應用，MLX75412提供1024×512分辨率的寬屏畫面，采集更廣范圍的圖像，便于識別路兩側的行人或交通標志。
