創(chuàng)新成像/圖像處理技術(shù)打造更安全的智能汽車

時(shí)間：2019-03-21 14:10:01

關(guān)鍵字：圖像處理技術(shù) 技術(shù)教程智能汽車

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　　在過(guò)去五年中，汽車行業(yè)中駕駛輔助系統(tǒng)（automotive driver assistance systems，ADAS）領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)步，真正地豐富了駕駛體驗(yàn)，并為駕駛員提供了非常寶貴的道路信息。本文將討論其中的某些功能在未來(lái)如何成為智能汽車的一部分，并且?guī)?lái)全新的駕駛員輔助創(chuàng)新功能，同時(shí)重點(diǎn)論述最新的成像和圖像處理創(chuàng)新技術(shù)，以及它們?cè)谟糜谶@些系統(tǒng)時(shí)如何推動(dòng)這些創(chuàng)新功能向前發(fā)展。

　　安全駕駛相關(guān)的內(nèi)容

　　汽車行業(yè)一直在持續(xù)推出創(chuàng)新的安全駕駛技術(shù)，防抱死制動(dòng)、全輪驅(qū)動(dòng)、車載導(dǎo)航和電子穩(wěn)定控制等就是其中的例證，這些駕駛技術(shù)快速流行并在整個(gè)行業(yè)中得到運(yùn)用。

　　經(jīng)常由政府機(jī)構(gòu)強(qiáng)制執(zhí)行的安全標(biāo)準(zhǔn)正在日益關(guān)注汽車領(lǐng)域中的新技術(shù)，這些新技術(shù)不僅可以提高安全性，同時(shí)也可提升用戶體驗(yàn)。這使得供應(yīng)商不僅可以實(shí)現(xiàn)自身的差異化，也可以獲得更高的投資回報(bào)。

　　駕駛輔助系統(tǒng)介紹

　　自1990年代初期以來(lái)，ADAS系統(tǒng)開發(fā)人員一直力求提供更安全、更便利的駕駛體驗(yàn)。在過(guò)去二十年里，超聲波停車輔助系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control，ACC）和車道偏離警示系統(tǒng)（Lane Departure Warning，LDW）等功能已經(jīng)部署在高端汽車上。最近，汽車制造商已經(jīng)增添后視攝像頭、盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)和環(huán)視系統(tǒng)作為功能選項(xiàng)。除了超聲波停車輔助系統(tǒng)之外，ADAS系統(tǒng)的部署數(shù)量非常有限；然而，有預(yù)測(cè)指出，在下一個(gè)十年里ADAS系統(tǒng)部署將增長(zhǎng)迅速。

　　除了政府法規(guī)和消費(fèi)者非常感興趣的安全功能之外，遠(yuǎn)程傳感器、以及在提取和解釋關(guān)鍵信息的相關(guān)處理算法方面的創(chuàng)新正在推動(dòng)ADAS系統(tǒng)部署增加。假以時(shí)日，隨著基于攝像頭系統(tǒng)的處理功能扮演越來(lái)越重要角色，這些ADAS系統(tǒng)將變得更先進(jìn)，并從高端汽車走向主流汽車。

　　汽車駕駛輔助系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著攝像頭性能和成本的持續(xù)改進(jìn)，帶來(lái)的好消息是新的安全功能有可能用于主流車型。最近的市場(chǎng)研究報(bào)告指出，汽車制造商正準(zhǔn)備利用多種不同的途徑來(lái)進(jìn)行障礙探測(cè)，而且基于攝像頭系統(tǒng)將可以應(yīng)用在單獨(dú)配置和與其它傳感器技術(shù)共用的兩種配置。

　　所有主要供應(yīng)商正積極開發(fā)基于攝像頭的感測(cè)技術(shù)；然而，對(duì)于哪種應(yīng)用將在市場(chǎng)上首先啟動(dòng)，甚至對(duì)于哪種應(yīng)用最適合于攝像頭傳感，他們并沒(méi)有取得一致意見。

　　隨著功能改善和圖像處理技術(shù)的成熟，從長(zhǎng)期發(fā)展前景看，汽車攝像頭顯示出爆炸性增長(zhǎng)潛力。在目前的開發(fā)狀況下，幾乎每款主動(dòng)安全系統(tǒng)都將攝像頭傳感器列入其遠(yuǎn)景計(jì)劃中。以下我們討論需要密切關(guān)注的某些系統(tǒng)和技術(shù)。

　　安全駕駛相關(guān)的內(nèi)容

　　駕駛輔助系統(tǒng)介紹

　　汽車駕駛輔助系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

　　自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）

　　自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）是高檔汽車的可選功能，使用雷達(dá)或激光設(shè)置，可讓汽車在接近另一輛汽車時(shí)減速，并當(dāng)交通許可時(shí)再次加速到預(yù)設(shè)的速度。對(duì)于未來(lái)將增添更多安全功能的智能汽車，該系統(tǒng)可能成為基本配置。

　　車道偏離警示系統(tǒng)（LDW）

　　至于車道偏離警示系統(tǒng)（LDW），2003年美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（National Highway Transportation Safety Administration，NHTSA）的研究結(jié)果表明，55%的死亡事故是汽車偏離車道并與另一輛汽車或路邊障礙物相撞引起的。這一事實(shí)支持業(yè)界對(duì)LDW系統(tǒng)的關(guān)注，該系統(tǒng)可在汽車偏離其指定的車道時(shí)向駕駛員發(fā)出警示。

　　最近，車道偏離警示系統(tǒng)（LDW）、碰撞緩解（Collision Mitigation，CM）和/或碰撞警示（Collision Warning，CW）連同交通標(biāo)志識(shí)別（Traffic Sign Recognition）等功能正開始被引入到汽車中。

　　基于攝像頭的LDW系統(tǒng)使用安裝在后視鏡后面的小型攝像頭來(lái)檢測(cè)路上的車道標(biāo)志。攝像頭檢測(cè)路邊標(biāo)志，并在駕駛員沒(méi)有使用轉(zhuǎn)向信號(hào)而無(wú)意之中穿過(guò)車道時(shí)發(fā)出譬如方向盤振動(dòng)等警示信號(hào)，來(lái)勸告駕駛員糾正他們的路線。

　　在結(jié)合使用雷達(dá)和攝像頭技術(shù)的系統(tǒng)中，攝像頭攝取的圖像隨同汽車速度一起被發(fā)送至系統(tǒng)微處理器，在那里信息被用來(lái)計(jì)算汽車和車道標(biāo)志間的距離以及相對(duì)于車道標(biāo)志的橫向速度變化率。然后微處理器將其與程序設(shè)定相比較，來(lái)確定汽車是否正在偏出它的車道。假如通過(guò)距離和橫向速度分析，確定汽車正在偏出車道，就可以通過(guò)儀表盤上指示燈和/或類似蜂鳴器的警告聲來(lái)提醒駕駛員。

　　碰撞緩解或碰撞警示

　　可以使用雷達(dá)和/或圖像傳感器相結(jié)合的系統(tǒng)來(lái)直接測(cè)量與前方汽車目標(biāo)的距離和相對(duì)速度，如果識(shí)別出潛在的碰撞，會(huì)觸發(fā)警報(bào)來(lái)提醒駕駛員；此警報(bào)可以是聽得見、看得見、或感觸得到的。前部碰撞警示系統(tǒng)可以使用具有目標(biāo)識(shí)別功能的前視攝像頭；它與警告裝置相連接，可以把可視的、可聽的、或其它信號(hào)反饋提供給駕駛員，提示即將發(fā)生的可能碰撞，比如提供制動(dòng)脈沖來(lái)提示駕駛員需要?jiǎng)x車。

　　交通標(biāo)志識(shí)別

　　交通標(biāo)志識(shí)別是一項(xiàng)可讓汽車識(shí)別的道路交通標(biāo)志技術(shù)，例如識(shí)別“限速”或“兒童”或“前方轉(zhuǎn)彎”標(biāo)志。目前這些系統(tǒng)僅用于檢測(cè)速度限制，但將來(lái)，此技術(shù)有可能將其它交通標(biāo)志信息的使用整合在ADAS系統(tǒng)中。

　　駕駛輔助感測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　CMOS傳感器的研發(fā)活動(dòng)已經(jīng)在利用其他市場(chǎng)的技術(shù)來(lái)生產(chǎn)不僅可用于汽車環(huán)境下的器件，而且也滿足嚴(yán)格的成本要求。

　　雖然超聲波感測(cè)技術(shù)一直在引領(lǐng)市場(chǎng)，但I(xiàn)MS研究機(jī)構(gòu)的研究數(shù)據(jù)（圖2）表明攝像頭技術(shù)將在未來(lái)數(shù)年占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　滿足ADAS處理和觀察平臺(tái)要求

　　攝像頭傳感器的獨(dú)特屬性是輸出原始和經(jīng)過(guò)處理數(shù)據(jù)?？梢灾苯语@示來(lái)自攝像頭的原始視頻，讓駕駛員識(shí)別和評(píng)估危險(xiǎn)狀況，這是使用其它類型的遠(yuǎn)程傳感器（例如雷達(dá)）所無(wú)法完成的。作為選項(xiàng)甚至同時(shí)功能，可以使用圖像分析來(lái)處理視頻輸出以提取關(guān)鍵信息，比如行人的位置和移動(dòng)。攝像頭允許系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)生即時(shí)可視化數(shù)據(jù)提供給駕駛員，并將數(shù)據(jù)流送至分析處理器，用于更進(jìn)一步的場(chǎng)景分析和系統(tǒng)響應(yīng)。此概念的基

　　在當(dāng)今的汽車市場(chǎng)中，Aptina是傳感器和SoC（包括傳感器陣列和圖像處理的系統(tǒng)級(jí)芯片）的領(lǐng)先供應(yīng)商，這些產(chǎn)品用于場(chǎng)景觀察和場(chǎng)景處理應(yīng)用。由于傳感器分辨率和處理需求的增長(zhǎng)，使得在一顆芯片上集成傳感器和圖像處理變得更為困難，這是因?yàn)楣脑黾印?duì)圖像品質(zhì)的影響和暗電流的增大。為了滿足此需求，Aptina計(jì)劃提供傳感器加上單獨(dú)的協(xié)同芯片（Companion Chip，CC）解決方案以實(shí)施圖像處理。

　　Aptina的傳感器+圖像處理協(xié)同芯片方案也適用于雙數(shù)據(jù)流應(yīng)用。例如，寬視野（wide-field-of-view）攝像頭系統(tǒng)與經(jīng)失真校正的圖像可以用于汽車前方區(qū)域的觀察應(yīng)用，同時(shí)可為物體檢測(cè)等ADAS功能提供便利。假如檢測(cè)到目標(biāo)從旁邊進(jìn)入到汽車車道，可產(chǎn)生聲響報(bào)警（與電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）聯(lián)合處理）。

　　根據(jù)這類應(yīng)用，可以得出有關(guān)ADAS系統(tǒng)要求的結(jié)論：

　　·必須支持視頻處理和圖像處理這兩項(xiàng)功能。在這種情況下，視頻處理指的是原始攝像頭數(shù)據(jù)的適當(dāng)處理，用于顯示供駕駛員觀看，而圖像處理指的是從視頻流中提取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)等信息的應(yīng)用分析。

　　·必須提供并行數(shù)據(jù)通道，用于同時(shí)運(yùn)行功能的相關(guān)運(yùn)算。

　　·需要百萬(wàn)像素圖像分辨率以支持多種新功能和應(yīng)用，尤其是場(chǎng)景處理技術(shù)。

　　執(zhí)行這些功能所需的大致數(shù)據(jù)處理，會(huì)很快超過(guò)ECU的數(shù)字信號(hào)處理器所能提供的能力；Aptina圖像傳感器+ Aptina協(xié)同芯片組合是有效的方式，可以在攝像頭模塊中提供局部圖像處理功能，用于觀察應(yīng)用，例如可支持后視或環(huán)視，而同時(shí)在ECU中執(zhí)行先進(jìn)的分析處理。

　　將傳感器和圖像處理功能適當(dāng)分開的額外優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)為：

　　1. 低功率解決方案與百萬(wàn)像素（Mp） SOC

　　2. 采用相同的圖像處理芯片，在傳感器選擇方面有更大靈活性，改進(jìn)了上市時(shí)間

　　3. 有助于實(shí)現(xiàn)雙數(shù)據(jù)流工作模式，一個(gè)傳感器可同時(shí)用于觀察和處理應(yīng)用

　　用于新興汽車市場(chǎng)的攝像頭

　　攝像頭正在越來(lái)越多地成為汽車行業(yè)先進(jìn)駕駛輔助解決方案的一個(gè)關(guān)鍵部件。這些攝像頭可以用于多種應(yīng)用，比如道路標(biāo)志識(shí)別、后視停車距離控制（park distance control，PDC）和車道偏離警示（LDW）等。今天，許多新型汽車裝有數(shù)個(gè)攝像頭，他們精確布置以覆蓋整個(gè)汽車周邊，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的安全系統(tǒng)。

　　汽車行業(yè)正面對(duì)來(lái)自政府機(jī)構(gòu)、非政府組織和消費(fèi)者本身的持續(xù)壓力，他們要求生產(chǎn)可以更安全駕駛的汽車。就攝像頭應(yīng)用來(lái)說(shuō)，美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）已提出，緊靠每輛汽車的后面必須確定特定區(qū)域，當(dāng)汽車進(jìn)行倒車操作時(shí)，駕駛員務(wù)必能夠看到這個(gè)區(qū)域。對(duì)于所有在美國(guó)銷售的客運(yùn)車輛，此提議的采用預(yù)計(jì)可以顯著減少由后部碰撞引起的死亡事故和傷害，有利于涉及到的兒童、殘疾人、老人、以及其他行人。

　　在汽車中整合更多先進(jìn)感測(cè)技術(shù)的趨勢(shì)仍將繼續(xù)。我們今天已經(jīng)看到一些提議安裝的典型ADAS系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提供ACC + LDW + CW（自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)+車道偏離警示系統(tǒng)+碰撞警示）功能。采用具有傳感器和圖像處理功能的解決方案勢(shì)在必行，它們有助于實(shí)現(xiàn)各種配置以及不同的應(yīng)用，比如用于后視和/或環(huán)視功能的視覺(jué)系統(tǒng)。

　　在這些先進(jìn)的基于攝像頭的汽車安全系統(tǒng)內(nèi)，增強(qiáng)的成像和感測(cè)功能開啟了一個(gè)充滿無(wú)限可能的世界?；跀z像頭的視覺(jué)系統(tǒng)可與具有長(zhǎng)視野的長(zhǎng)距離雷達(dá)、具有更寬視野的短距離雷達(dá)或超聲波傳感器相輔相成，讓駕駛員看清前方和后方的道路。因此，增加一套數(shù)據(jù)信息可用來(lái)確認(rèn)所獲取整個(gè)圖像的準(zhǔn)確性。例如，來(lái)自雷達(dá)和攝像頭的數(shù)據(jù)可以使駕駛員在使用制動(dòng)系統(tǒng)等決策方面具有更高的自信。

　　結(jié)論

　　汽車行業(yè)正在面對(duì)需要生產(chǎn)能夠更安全駕駛汽車的持續(xù)壓力。今天，基于攝像頭的觀察系統(tǒng)已成為開發(fā)更先進(jìn)的安全系統(tǒng)的關(guān)鍵。在這些系統(tǒng)內(nèi)，CMOS圖像傳感器不僅滿足了寬動(dòng)態(tài)范圍（WDR）和弱光（low-light）性能要求，它們還對(duì)于價(jià)格敏感的汽車市場(chǎng)提供了非常關(guān)鍵的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，有助于在這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)。