視覺系統(tǒng)在當代汽車中得到進一步應(yīng)用

根據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）的數(shù)據(jù)，每輛在路上運動中的車輛都包含一個危險部件，即位于車輪后方的人員。NHTSA對2,189,000起道路交通事故進行了詳細調(diào)查，得出的結(jié)論是其中94％（2,046,000）是由于司機的過錯。最常見的駕駛員出錯（識別錯誤）是由于缺乏關(guān)注，或駕駛員以某種方式分心，這些因素共占駕駛員導(dǎo)致事故的41％。道路使用者的安全非常重要，考慮到這一點，世界領(lǐng)先的汽車品牌正在不斷為他們的汽車增加新功能，以協(xié)助司機進行更安全的駕駛，或者開發(fā)更先進的系統(tǒng)。從長遠來看，這些先進的系統(tǒng)將使駕駛不再完全依賴司機。

駕駛員最重要的任務(wù)之一是觀察周圍環(huán)境并做出相應(yīng)的反應(yīng)，通常是調(diào)整速度或方向。要做到這一點，駕駛員必須要知道很多事情，包括實際的障礙物、潛在的障礙物、速度限制、其他形式的道路標志和天氣狀況等等。如果車輛是為了幫助司機駕駛，并最終通過自動駕駛承擔(dān)全部責(zé)任，那么它必須具有至少與人類相當?shù)哪軌蛲瓿蛇@些任務(wù)的能力。

隨著汽車制造商實施先進駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），各種類型的傳感器現(xiàn)在都已經(jīng)被整合到車輛設(shè)計，用以提供車輛所需的支持數(shù)據(jù)，其中基于視覺的傳感技術(shù)發(fā)展最快，已經(jīng)超越簡單的倒車攝像頭，能夠提供強大而高效的成像解決方案。

前向攝像頭已經(jīng)開始受到市場的廣泛采用，這不僅體現(xiàn)在高端汽車，同樣也出現(xiàn)在中檔汽車車型。前向攝像頭結(jié)合適當?shù)膱D像處理軟件，可以檢測到前方障礙物，并且能夠?qū)⑵漶詈系椒较虮P傳感器，因而系統(tǒng)可以確定障礙物是否在車輛的軌跡之內(nèi)。更先進的系統(tǒng)甚至可以繪制行人的軌跡，進而確定它是否可能與車輛的路徑相交叉，并預(yù)先處理以避免事故的發(fā)生。之后，車輛ADAS可以做出許多響應(yīng)，包括從簡單的警告到采取規(guī)避動作，具體取決于其復(fù)雜程度。

然而，視覺系統(tǒng)遠不僅限于前向攝像頭。許多高端車型現(xiàn)在已經(jīng)配備有多個攝像頭，因此在機動時可以對車輛周圍360度全方位觀察。雖然這些攝像頭可以防止發(fā)生輕微但仍然是代價昂貴的“碰撞”，但它們的真正價值在于能夠識別在駕駛員注意不到的情況下靠近車輛的寵物或小孩等等。

如果沒有遵守公布的速度限制，貌似最多可能導(dǎo)致巨額罰單。但是，這也可能會導(dǎo)致更嚴重的后果，例如造成人身傷害的重大事故，甚至更嚴重的情況造成生命死亡事故。當今的視覺系統(tǒng)使用現(xiàn)有的前向攝像頭或者專用攝像頭來識別和讀取路邊的速度標志，車輛對于限速標志的響應(yīng)可能是在駕駛員的視線中再現(xiàn)這些標志，如果超過速度限制則發(fā)出聲音警報；或者是限制車輛的速度以便始終遵守這些速度限制。

照明技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)促使從傳統(tǒng)燈具轉(zhuǎn)向LED燈照明，無論是街道照明還是車輛前大燈都是如此，閃爍已經(jīng)成為視覺系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。由于人類視覺的持續(xù)性，閃爍對于駕駛員來說并不明顯，但是它可以在周期性捕獲的圖像上則顯示為暗帶（dark bands），使得字符識別（例如限速標志上的數(shù)字）變得更加困難。先進的圖像捕獲算法幾乎可以瞬時獲取多個圖像，并將這些圖像合并，以提供可以準確讀取的高質(zhì)量合成圖像。這種技術(shù)通常稱為閃爍緩解（flicker mitigation），現(xiàn)在已被用于領(lǐng)先的汽車圖像傳感器。

攝像頭不僅適用于車外，也可用于車內(nèi)。由于駕駛員在車輛控制中發(fā)揮著重要作用（至少目前是這樣），需要成像技術(shù)來監(jiān)控駕駛員自身，這樣可確保駕駛員準備好，并對即將發(fā)生的情況做出快速反應(yīng)。如果駕駛員沒有做好準備，ADAS可以進行干預(yù)。攝像頭將持續(xù)監(jiān)測駕駛員的面部和頭部位置，并通過人工智能（AI），確認駕駛員檢查反射鏡的頻率，來評估司機的困倦程度以及交通注意力。如果駕駛員變得不專心或明顯疲倦，可以給出提醒或建議休息時間。這種監(jiān)控還可用于測量前排乘客人員的高度和體型大小，以在發(fā)生可能的碰撞時實現(xiàn)適當?shù)陌踩珰饽艺归_。

用于監(jiān)測駕駛員的攝像頭也可以增加許多其他便利。簡單的人臉識別軟件可以識別駕駛員，并將駕駛室偏好（包括座椅位置、方向盤位置、后視鏡和駕駛室溫度）設(shè)置為預(yù)先配置的值，從而使駕駛環(huán)境更加舒適。另外，成像通常也可應(yīng)用于監(jiān)測車輛其他乘員，例如可以檢查他們是否感到舒適，如果沒有達到舒適程度則調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)。

在技術(shù)領(lǐng)域，幾乎所有都在保持不斷變化，而汽車行業(yè)中不斷發(fā)展的視覺傳感硬件（和附帶的軟件）尤其如此。隨著車載通信技術(shù)從CAN總線遷移到汽車以太網(wǎng)，可以實現(xiàn)更高速度的幀率和更高分辨率視頻，從而能夠提高圖像質(zhì)量，并提供更高的安全性。

圖1：安森美半導(dǎo)體的AR140AT圖像傳感器。

 目前最具吸引力的汽車圖像傳感器之一是安森美半導(dǎo)體（ON Semiconductor）的AR140AT，這是一款1/4英寸100萬像素CMOS器件，有源像素陣列為1280x800。它專門針對光線不足的駕駛條件進行了優(yōu)化，可提供高動態(tài)范圍（HDR）模式，并具有滾動快門（rolling-shutter）讀數(shù)。AR140AT在靜止模式和視頻模式（60fps）下都能產(chǎn)生非常清晰銳利的數(shù)字圖像，它還集成有像素內(nèi)合并（in-pixel binning）和窗口化等下一代攝像頭功能，完全符合AEC-Q100標準（并且支持PPAP）。

由于當代汽車更加依賴于ADAS系統(tǒng)，該技術(shù)的安全性是設(shè)計人員的首要考慮因素。FS32V234包含一個帶有16kB片上安全RAM和ROM的CSE，以及一個系統(tǒng)級JTAG控制器，可以支持ARM的安全TrustZone架構(gòu)。該器件支持用于功能安全的ISO 26262汽車安全集成等級（ASIL），并可提供安全手冊和完整的FMEDA報告。通過提供FD-CAN和FlexRay接口，可簡化與當今車輛ADAS基礎(chǔ)設(shè)施的集成。

車輛視覺系統(tǒng)正在不斷擴展到其他創(chuàng)新應(yīng)用。隨著汽車制造商尋求在車內(nèi)有限的空間內(nèi)為更復(fù)雜的車輛系統(tǒng)提供直觀的人機界面（HMI），以補充和改進現(xiàn)有控制系統(tǒng)，基于手勢的HMI允許駕駛員提供輸入命令，由于無需要求他們把目光從路上移開，因而不會在開車時產(chǎn)生分心。

Melexis的全新芯片組基于時間飛行（ToF）技術(shù)，可為3D視覺系統(tǒng)提供簡單的模塊化設(shè)計，適用于創(chuàng)建基于手勢的HMI。該芯片組包括MLX75023 1/3英寸光學(xué)格式ToF傳感器和MLX75123協(xié)同IC，其中包含開發(fā)3D視覺解決方案所需的許多外部組件，Melexis還提供評估模塊。由于該芯片組具有高集成度，設(shè)計人員不再需要添加昂貴（且占用空間）的外部FPGA和ADC，從而能夠減小尺寸，降低設(shè)計和產(chǎn)品單價，并縮短產(chǎn)品面市時間。

圖2：MLX75023 ToF評估板。

MLX75023 ToF傳感器采用了Melexis先進的像素技術(shù)，可提供HDR功能，適用于具有挑戰(zhàn)性的光線條件。 MLX75123協(xié)同芯片直接將傳感器IC連接到主機MCU，并提供快速的數(shù)據(jù)讀取。分離傳感器和協(xié)同（處理）芯片的模塊化設(shè)計意味著可以升級傳感器單元，而無需改變整個系統(tǒng)架構(gòu)。

汽車行業(yè)正在將前所未有的大量技術(shù)添加到車輛，使其更經(jīng)濟，更方便，最重要的是更安全。先進的傳感器技術(shù)已經(jīng)通過ADAS等系統(tǒng)增強了駕駛員的駕駛能力，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，自動化駕駛系統(tǒng)最終將取代駕駛員。傳感器的種類也正在激增，通過傳感器融合，能夠確保這些傳感器協(xié)同工作，從而最終使車輛安全運行。視覺技術(shù)是未來車輛的關(guān)鍵，許多中檔車型現(xiàn)在已經(jīng)集成有多個視覺傳感器，可以更詳盡地感知周圍的世界，閱讀路邊標志，并監(jiān)測駕駛員。圖像傳感器也具有很多的分辨率級別，以便識別細節(jié)，即使處在夜間駕駛或惡劣天氣中經(jīng)常遇到的低光照條件下，像素技術(shù)的進步也能使視覺系統(tǒng)保持準確的運行。