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视觉系统在汽车行业的进一步应用
[作者 Mark Patrick]   2020年10月13日 星期二 浏览人次: [1655]


根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的资讯,每辆在路上行驶车辆都包含一个危险部件,即位於车轮後方的人员。NHTSA对218.9万起道路交通事故进行了详细分析,得出结论是其中94%(204.6万起)是由於司机过错。最常见的驾驶员出错(识别错误)是由於缺乏关注,或驾驶员以某种方式分散注意力,这些因素共占驾驶员导致事故41%。道路使用者的安全极其紧要,考虑到这一点,世界领先汽车品牌正在不断为汽车增加新功能,以协助司机进行更安全驾驶,或者开发更高阶系统。从长远看,这些先进系统将使驾驶不再完全仰仗司机。


驾驶员最重要任务之一是观察周围环境并做出适当回应,通常是调整速度或方向。要做到这一点,驾驶员必须要知道很多事情,包括实际障碍物、潜在障碍物、速度限制、其他形式道路标志和天气状况等等。倘若车辆是在帮助司机完成驾驶,并最终透过自动驾驶承担全部责任,那麽它必须至少具有与人类相当,且能够完成这些任务的能力。


伴随汽车制造商实施先进驾驶辅助系统(ADAS),各种类型感测器现在都已经被整合到车辆设计,用以提供车辆所需的支援资料,其中基於视觉的感测技术发展最快,已经不再限於简单倒车摄影机,而是能够提供强大且高效的成像解决方案。



图一 : 在汽车的先进驾驶辅助系统(ADAS)当中,各种类型感测器现在都已经被整合到车辆设计,能够提供高效的成像解决方案。(source:Electrek)
图一 : 在汽车的先进驾驶辅助系统(ADAS)当中,各种类型感测器现在都已经被整合到车辆设计,能够提供高效的成像解决方案。(source:Electrek)

重要的汽车摄影机应用

前向摄影机已经开始受到市场广泛采用,这不仅体现在高端汽车,同样也出现在中档汽车车型。前向摄影机结合适当影像处理软体,可以检测到前方障碍物,并且能够将其耦合到方向盘感测器,因而系统可以确定障碍物是否在车辆的轨迹之内。


更高阶的系统甚至可以绘制行人轨迹,进而确定它是否可能与车辆路径相交叉,并预先处理以避免事故发生。之後,车辆ADAS可以做出许多回应,包括从简单警告到采取规避动作,具体取决於其复杂程度。


然而,视觉系统远不仅限於前向摄影机。许多高端车型现在已经配备有多个摄影机,因此在行驶时可以对车辆周围360度全方位观察。虽然这些摄影机可以防止发生轻微,但仍然是代价昂贵的「碰撞」,但它们的真正价值在於能够识别在驾驶员注意不到的状况下靠近车辆的宠物或小孩等等。


如果没有遵守公布的速度限制,貌似最多可能导致巨额罚单。但是,这也可能会导致更严重後果,例如造成人身伤害的重大事故,甚至更严重状况会造成生命死亡事故。当下视觉系统使用现有前向摄影机或者专用摄影机来识别和读取路边速度标志,车辆对於限速标志回应可能是在驾驶员的视线中再现这些标志,如果超过速度限制则发出声音警报;或者是限制车辆速度以便始终遵守这些速度限制。


照明技术发展已经促使从传统灯具转向LED灯照明,无论是街道照明还是车辆前大灯都是如此,闪烁已经成为视觉系统的挑战。由於人类视觉的持续性,闪烁对於驾驶员来说并不明显,但是它可以在周期性撷取的影像上则显示为暗带(dark bands),使得字元识别(例如限速标志上的数位)变得更加困难。高阶影像撷取演算法几??可以暂态撷取多个影像,并将这些影像合并,以提供可以准确读取的高品质合成影像。这种技术通常称为闪烁缓解(flicker mitigation),现在已被用於领先的汽车影像感测器。


摄影机不仅适用於车外,也可用於车内。由於驾驶员在车辆控制中发挥着重要作用(至少目前状况是如此),需要成像技术来监控驾驶员自身,这样可确保驾驶员准备好,并对即将发生的状况做出快速回应。


如果驾驶员没有做好准备,ADAS可以进行干预。摄影机将持续监测驾驶员的脸部和头部位置,并透过人工智慧(AI)确认驾驶员检查反射镜的频率,来评估司机的困倦程度以及交通注意力。如果驾驶员变得不专心或明显的疲倦,可以给予提醒或建议休息时间。这种监控还可用於量测前排乘客人员的高度和体型大小,藉以在发生可能碰撞时实现适当的安全气囊展开。


用於监测驾驶员的摄影机也可以增加许多其他的便利。简单的脸部辨识软体可以识别驾驶员,并将驾驶室偏好(包括座椅位置、方向盘位置、後视镜和驾驶室温度)设置为预先配置值,从而使驾驶环境更加舒适。另外,成像通常也可应用於监测车辆其他乘员,例如可以检查他们是否感到舒适,如果没有达到舒适程度则调整空调系统。


汽车视觉技术

在技术领域,几??所有层面都在保持不断变化,汽车行业中不断发展的视觉感测硬体(和附带软体)尤其如此。随着车载通讯技术从CAN汇流排迁移到汽车乙太网路,可以实现更高速度帧率和更高解析度视讯,从而能够提高影像品质,并提供更高的安全性。


图二 : ON Semiconductor的AR140AT影像感测器
图二 : ON Semiconductor的AR140AT影像感测器

目前最具吸引力的汽车影像感测器之一是安森美半导体(ON Semiconductor)的AR140AT,这是一款1/4英寸100万像素CMOS元件,主动像素阵列为1280x800。它专门针对光线不足驾驶条件进行了优化,可提供高动态范围(HDR)模式,并具有滚动快门(rolling-shutter)读数。AR140AT在静止模式和视讯模式(60fps)下都能产生非常清晰锐利的数位影像,它还整合有像素内合并(in-pixel binning)和视窗化等下一世代摄影机功能,完全符合AEC-Q100标准(并且支援PPAP)。


由於现今的汽车更加仰仗於ADAS系统,该技术安全性是设计人员首要考量因素。FS32V234包含一个带有16kB片上安全RAM和ROM的CSE,以及一个系统级JTAG控制器,可以支援Arm安全TrustZone架构。该元件支援用於功能安全的ISO 26262 ASIL,并可提供完整FMEDA报告。透过提供FD-CAN和FlexRay介面,可简化与当下车辆ADAS基础设施整合。


用於车辆控制的视觉技术

车辆视觉系统正在不断扩展到其他创新应用。随着汽车制造商寻求在车内有限空间内为更复杂车辆系统提供直观人机介面(HMI),以补充和改进现有控制系统,基於手势的HMI允许驾驶员提供输入命令,由於无需要求他们把目光从路上移开,因而不会在开车时产生分心。


Melexis全新晶片组基於飞行时间(ToF)技术,可为3D视觉系统提供简单模组化设计,适用於创建基於手势的HMI。该晶片组包括MLX75023 1/3英寸光学格式ToF感测器和MLX75123协同IC,其中包含开发3D视觉解决方案所需许多外部元件,Melexis还提供评估模组。由於该晶片组具有高整合度,设计人员无需再添加昂贵且占用空间的外部FPGA和ADC,从而能够减小尺寸,降低设计和产品单价,并缩短产品上市时间。


图三 : MLX75023 ToF评估板
图三 : MLX75023 ToF评估板

MLX75023 ToF感测器采用Melexis的像素技术,可提供HDR功能,适用於具有挑战性的光线条件。MLX75123协同晶片直接将感测器IC连接到主机MCU,并提供快速资料读出(readout)。独立式感测器和协同(处理)晶片模组化设计意味着可以升级感测器单元,而无需改变整个系统架构。


总结

汽车行业正在将前所未有大量技术整合到车辆,使其更经济、更便捷,最重要的是更安全。高阶感测器技术已经透过ADAS等系统增强了驾驶员驾驶能力,伴随技术进一步发展,自动驾驶系统最终将取代驾驶员。感测器种类也正在激增,透过感测器融合,能够确保这些感测器协同运作,从而最终使车辆安全行驶。


视觉技术是未来车辆关键,许多中档车型现在已经整合有多个视觉感测器,可以更详尽地感知周围世界,阅读路边标志,并监测驾驶员状况。影像感测器也具有很多解析度级别,以便识别更多细节,即便处在夜间驾驶或恶劣天气中经常遇到的低光照条件,高阶像素技术也能使视觉系统保持准确运作。


(本文作者Mark Patrick任职於贸泽电子)


**刊头图(source:Phys.org)


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