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視覺系統在汽車行業的進一步應用
[作者 Mark Patrick]   2020年10月13日 星期二 瀏覽人次: [1654]


根據美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)的資訊,每輛在路上行駛車輛都包含一個危險部件,即位於車輪後方的人員。NHTSA對218.9萬起道路交通事故進行了詳細分析,得出結論是其中94%(204.6萬起)是由於司機過錯。最常見的駕駛員出錯(識別錯誤)是由於缺乏關注,或駕駛員以某種方式分散注意力,這些因素共占駕駛員導致事故41%。道路使用者的安全極其緊要,考慮到這一點,世界領先汽車品牌正在不斷為汽車增加新功能,以協助司機進行更安全駕駛,或者開發更高階系統。從長遠看,這些先進系統將使駕駛不再完全仰仗司機。


駕駛員最重要任務之一是觀察周圍環境並做出適當回應,通常是調整速度或方向。要做到這一點,駕駛員必須要知道很多事情,包括實際障礙物、潛在障礙物、速度限制、其他形式道路標誌和天氣狀況等等。倘若車輛是在幫助司機完成駕駛,並最終透過自動駕駛承擔全部責任,那麼它必須至少具有與人類相當,且能夠完成這些任務的能力。


伴隨汽車製造商實施先進駕駛輔助系統(ADAS),各種類型感測器現在都已經被整合到車輛設計,用以提供車輛所需的支援資料,其中基於視覺的感測技術發展最快,已經不再限於簡單倒車攝影機,而是能夠提供強大且高效的成像解決方案。



圖一 : 在汽車的先進駕駛輔助系統(ADAS)當中,各種類型感測器現在都已經被整合到車輛設計,能夠提供高效的成像解決方案。(source:Electrek)
圖一 : 在汽車的先進駕駛輔助系統(ADAS)當中,各種類型感測器現在都已經被整合到車輛設計,能夠提供高效的成像解決方案。(source:Electrek)

重要的汽車攝影機應用

前向攝影機已經開始受到市場廣泛採用,這不僅體現在高端汽車,同樣也出現在中檔汽車車型。前向攝影機結合適當影像處理軟體,可以檢測到前方障礙物,並且能夠將其耦合到方向盤感測器,因而系統可以確定障礙物是否在車輛的軌跡之內。


更高階的系統甚至可以繪製行人軌跡,進而確定它是否可能與車輛路徑相交叉,並預先處理以避免事故發生。之後,車輛ADAS可以做出許多回應,包括從簡單警告到採取規避動作,具體取決於其複雜程度。


然而,視覺系統遠不僅限於前向攝影機。許多高端車型現在已經配備有多個攝影機,因此在行駛時可以對車輛周圍360度全方位觀察。雖然這些攝影機可以防止發生輕微,但仍然是代價昂貴的「碰撞」,但它們的真正價值在於能夠識別在駕駛員注意不到的狀況下靠近車輛的寵物或小孩等等。


如果沒有遵守公佈的速度限制,貌似最多可能導致巨額罰單。但是,這也可能會導致更嚴重後果,例如造成人身傷害的重大事故,甚至更嚴重狀況會造成生命死亡事故。當下視覺系統使用現有前向攝影機或者專用攝影機來識別和讀取路邊速度標誌,車輛對於限速標誌回應可能是在駕駛員的視線中再現這些標誌,如果超過速度限制則發出聲音警報;或者是限制車輛速度以便始終遵守這些速度限制。


照明技術發展已經促使從傳統燈具轉向LED燈照明,無論是街道照明還是車輛前大燈都是如此,閃爍已經成為視覺系統的挑戰。由於人類視覺的持續性,閃爍對於駕駛員來說並不明顯,但是它可以在週期性擷取的影像上則顯示為暗帶(dark bands),使得字元識別(例如限速標誌上的數位)變得更加困難。高階影像擷取演算法幾乎可以暫態擷取多個影像,並將這些影像合併,以提供可以準確讀取的高品質合成影像。這種技術通常稱為閃爍緩解(flicker mitigation),現在已被用於領先的汽車影像感測器。


攝影機不僅適用於車外,也可用於車內。由於駕駛員在車輛控制中發揮著重要作用(至少目前狀況是如此),需要成像技術來監控駕駛員自身,這樣可確保駕駛員準備好,並對即將發生的狀況做出快速回應。


如果駕駛員沒有做好準備,ADAS可以進行干預。攝影機將持續監測駕駛員的臉部和頭部位置,並透過人工智慧(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的疲倦,可以給予提醒或建議休息時間。這種監控還可用於量測前排乘客人員的高度和體型大小,藉以在發生可能碰撞時實現適當的安全氣囊展開。


用於監測駕駛員的攝影機也可以增加許多其他的便利。簡單的臉部辨識軟體可以識別駕駛員,並將駕駛室偏好(包括座椅位置、方向盤位置、後視鏡和駕駛室溫度)設置為預先配置值,從而使駕駛環境更加舒適。另外,成像通常也可應用於監測車輛其他乘員,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整空調系統。


汽車視覺技術

在技術領域,幾乎所有層面都在保持不斷變化,汽車行業中不斷發展的視覺感測硬體(和附帶軟體)尤其如此。隨著車載通訊技術從CAN匯流排遷移到汽車乙太網路,可以實現更高速度幀率和更高解析度視訊,從而能夠提高影像品質,並提供更高的安全性。


圖二 : ON Semiconductor的AR140AT影像感測器
圖二 : ON Semiconductor的AR140AT影像感測器

目前最具吸引力的汽車影像感測器之一是安森美半導體(ON Semiconductor)的AR140AT,這是一款1/4英寸100萬像素CMOS元件,主動像素陣列為1280x800。它專門針對光線不足駕駛條件進行了優化,可提供高動態範圍(HDR)模式,並具有滾動快門(rolling-shutter)讀數。AR140AT在靜止模式和視訊模式(60fps)下都能產生非常清晰銳利的數位影像,它還整合有像素內合併(in-pixel binning)和視窗化等下一世代攝影機功能,完全符合AEC-Q100標準(並且支援PPAP)。


由於現今的汽車更加仰仗於ADAS系統,該技術安全性是設計人員首要考量因素。FS32V234包含一個帶有16kB片上安全RAM和ROM的CSE,以及一個系統級JTAG控制器,可以支援Arm安全TrustZone架構。該元件支援用於功能安全的ISO 26262 ASIL,並可提供完整FMEDA報告。透過提供FD-CAN和FlexRay介面,可簡化與當下車輛ADAS基礎設施整合。


用於車輛控制的視覺技術

車輛視覺系統正在不斷擴展到其他創新應用。隨著汽車製造商尋求在車內有限空間內為更複雜車輛系統提供直觀人機介面(HMI),以補充和改進現有控制系統,基於手勢的HMI允許駕駛員提供輸入命令,由於無需要求他們把目光從路上移開,因而不會在開車時產生分心。


Melexis全新晶片組基於飛行時間(ToF)技術,可為3D視覺系統提供簡單模組化設計,適用於創建基於手勢的HMI。該晶片組包括MLX75023 1/3英寸光學格式ToF感測器和MLX75123協同IC,其中包含開發3D視覺解決方案所需許多外部元件,Melexis還提供評估模組。由於該晶片組具有高整合度,設計人員無需再添加昂貴且佔用空間的外部FPGA和ADC,從而能夠減小尺寸,降低設計和產品單價,並縮短產品上市時間。


圖三 : MLX75023 ToF評估板
圖三 : MLX75023 ToF評估板

MLX75023 ToF感測器採用Melexis的像素技術,可提供HDR功能,適用於具有挑戰性的光線條件。MLX75123協同晶片直接將感測器IC連接到主機MCU,並提供快速資料讀出(readout)。獨立式感測器和協同(處理)晶片模組化設計意味著可以升級感測器單元,而無需改變整個系統架構。


總結

汽車行業正在將前所未有大量技術整合到車輛,使其更經濟、更便捷,最重要的是更安全。高階感測器技術已經透過ADAS等系統增強了駕駛員駕駛能力,伴隨技術進一步發展,自動駕駛系統最終將取代駕駛員。感測器種類也正在激增,透過感測器融合,能夠確保這些感測器協同運作,從而最終使車輛安全行駛。


視覺技術是未來車輛關鍵,許多中檔車型現在已經整合有多個視覺感測器,可以更詳盡地感知周圍世界,閱讀路邊標誌,並監測駕駛員狀況。影像感測器也具有很多解析度級別,以便識別更多細節,即便處在夜間駕駛或惡劣天氣中經常遇到的低光照條件,高階像素技術也能使視覺系統保持準確運作。


(本文作者Mark Patrick任職於貿澤電子)


**刊頭圖(source:Phys.org)


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