高动态范围CMOS图像传感器在汽车视觉系统中的的应用.docx

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1、高动态范围CMOS图像传感器在汽车视觉系统中的的应用葛光1.简介随着汽车安全重要性的凸显，行车辅助系统（DrivingAssistanceSystem，DAS）在汽车领域的应用越来越广泛。在这类应用中，图视觉系统是必不可少的一个组成部分，其必须快速、精确地感知各种路况，进而提前预警或控制车辆行为。这要求系统的前端----摄像头能够最大限度地适应不同的光照条件，提供路况场景的细节信息。图1显示了汽车视觉系统的主要应用，包括前视、后视、侧视、内视等。以前视为例，夜视（NightVision，NV）、车道偏离预警（LaneDepartureWarning，LDW）、碰撞预警（Collisio

2、nWarning，CW）、交通标志识别（TrafficSignRecognition，TSR）等应用要求视觉系统在各种天气、路况条件下，能够清晰识别车道线、车辆、障碍物、交通标志等。所有这些功能要求图像传感器的动态范围（DynamicRange，DR）足够高，为后级图像处理系统提供丰富的细节信息。本文主要讨论图像传感器在汽车视觉系统中的应用。第二部分介绍汽车视觉系统对图像传感器性能的要求，第三部分讨论高动态范围图像传感器技术。第四部分对本文作一个总结。图1汽车视觉系统的主要应用1.汽车视觉系统中的图像传感器图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的器件，是摄像头的重要组成部分，如图2所

3、示。在典型汽车应用中，视觉系统要处理一些复杂的路面情况，比如来面向阳光行车、进出隧道、以及夜间会车时对面车辆前照灯等。这类路况要求摄像头，以及其中的图像传感器能够自动适应这类复杂场景，否则图像中细节信息的损失很难通过后级信号处理方法来恢复。图2摄像头中的图像传感器一幅画面中，最亮部分和最暗部分亮度的比值被称作动态范围，比如，阳光直射下某亮色物体亮度大约是100kcd/m2，阴影下的暗色物体亮度大约是100mcd/m2。某场景若同时包括这两种物体，则图像的动态范围是120dB。只有图像传感器的动态范围高于120dB，汽车视觉系统才能有效地对该场景进行图像采集。考虑到夜间行车，有些道路没有

4、路灯或者路灯很暗，汽车视觉系统也需要在低光照场景下采集路况信息。针对汽车应用，图像传感器需要满足一系列汽车级要求，如宽温度范围、高可靠性、高集成度、低成本等。表1总结了汽车视觉系统中图像传感器应该具有的性能：所需性能原因高动态范围复杂光照条件高光敏度夜间行车高可靠性汽车级应用高集成度降低系统复杂度、降低系统成本表1汽车视觉系统对图像传感器的要求1.Melexis高动态范围图像传感器技术由于CMOS技术的高集成度、高稳定性、低成本，基于CMOS技术的图像传感器应用越来越广泛，已经成为绝大多数视觉系统的首选。CMOS图像传感器的像素中包含一个光敏二极管，在光照激励下产生和光强度呈正相关的光

5、电流。通过在一定曝光时间内对光电流积分，可以把光学图像信号装换成像素的电子信号输出，其响应特性如图3（a）所示。因为供电电压幅度以及传感器噪声的限制，传统CMOS图像传感器的动态范围和成像细节是一对矛盾：增加曝光时间可以改善细节但同时减低动态范围，反之降低曝光时间可以提高动态范围但不利于细节显示。传统CMOS图像传感器中的这对主要矛盾，使其不能完全满足汽车视觉系统的要求。针对CMOS技术的特点，Melexis开发了基于AutobriteÒ技术的CMOS图像传感器MLX75412，以图3（b）所示的非线性响应特性解决前述矛盾，大幅提高了图像传感器的动态范围，使其符合表1中所列所有标准。通

6、过AutobriteÒ技术对像素进行分段曝光/复位控制，图像传感器的动态范围拓展到154dB。集成的反馈控制算法分析所采集到的图像，实时调整传感器的曝光时间和动态范围，显著提高了在复杂路况下图像采集的质量。MLX75412的集成图像增强功能AutoviewÔ，能够实时调整图像亮度和锐度，减轻了后级信号处理系统的计算量。同时，由于MLX75412中集成的12位图像处理流水线，其图像处理精度高于通常使用的8位图像处理。MLX75412提供了标准的原始视频信号输出和I2C控制信号输入，兼容绝大多数DSP或FPGA。考虑到汽车应用，MLX75412提供1024×512分辨率的宽屏画面，采集更广

7、范围的图像，便于识别路两侧的行人或交通标志。图3CMOS图像传感器的响应特性：（a）传统线性曲线；（b）基于AutobriteÒ技术动态范围拓展曲线图4比较了普通CMOS图像传感器和基于AutobriteÒ技术的图像传感器的成像效果。在图4（a）中，因为传感器的动态范围不能有效地适应场景的动态范围，图像的暗处和亮处的细节体现较差。与此形成对比，通过使用AutobriteÒ技术，图4（b）所示图像对亮和暗的区域都有很好的细节体现。对于车道偏离预警