【一文了解自主駕駛車輛的智能攝像頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)】隨著攝像頭系統(tǒng)在車輛中的應(yīng)用日趨普遍，對(duì)改型儀表板錄像機(jī)（行車記錄儀）、輔助駕駛、報(bào)警攝像頭、倒車攝像頭以及夜視系統(tǒng)的需求也與日俱增。由于消費(fèi)者對(duì)這些系統(tǒng)的功能需求日益增多，所以各種新型攝像頭技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它們既可以單獨(dú)使用，也可以和復(fù)雜的傳感器融合應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器一起使用。

同時(shí)，因?yàn)橛斜姸鄥⒖荚O(shè)計(jì)和開發(fā)工具可供您快速上手，所以采用這些新技術(shù)來(lái)開發(fā)系統(tǒng)變得前所未有的簡(jiǎn)單。下面是我們認(rèn)為在這一富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用領(lǐng)域最具前景的部分精選技術(shù)和工具。

紅外攝像頭

紅外攝像頭的成像依據(jù)是波長(zhǎng)超過(guò)可見光的紅外線，也就是說(shuō)，發(fā)熱的物體看上去較亮，而較冷的區(qū)域?qū)⒖瓷先ポ^暗。這對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)十分有用，因?yàn)樗梢詸z測(cè)視場(chǎng)內(nèi)的人或動(dòng)物，可能包括在車輛周圍公路上活動(dòng)的行人、寵物或野生動(dòng)物。在增強(qiáng)可見光攝像頭的噪聲數(shù)據(jù)方面，紅外技術(shù)尤為有效；但紅外攝像頭也可以作為夜視系統(tǒng)單獨(dú)使用，幫助駕駛者在黑暗處行車或倒車進(jìn)入昏暗車庫(kù)時(shí)發(fā)現(xiàn)行人或動(dòng)物。在車內(nèi)，紅外攝像頭可以檢測(cè)有無(wú)寵物或孩童，以免他們被遺忘在高溫車廂內(nèi)，在基于攝像頭的控制系統(tǒng)中也可用于手勢(shì)識(shí)別。

多年來(lái)市場(chǎng)上出售的紅外攝像頭都采用檢測(cè)長(zhǎng)波紅外線(LWIR)的CMOS圖像傳感器形式，但由于所檢測(cè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，導(dǎo)致所能檢測(cè)到的物理尺寸有限制，其外型也相對(duì)笨重，直到近期，情況才有所改善。如今的處理技術(shù)和小型化技術(shù)已經(jīng)能生產(chǎn)出微小型設(shè)備，且其價(jià)格是傳統(tǒng)熱成像攝像機(jī)的十分之一，因此得以廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品和車輛成像系統(tǒng)。

圖1：(a)FLIRLepton小型紅外攝像頭。(b)Lepton攝像頭模塊框圖。

FLIRSystems的Lepton紅外攝像頭就是順應(yīng)這一趨勢(shì)的完美典范。最前沿的制造技術(shù)能夠作為成像器自身一部分在制造過(guò)程中從晶圓級(jí)構(gòu)建出低成本的透鏡，從而減少工藝步驟數(shù)。晶圓級(jí)封裝與單片集成控制電子元件（其中包括DSP和SPI接口）相結(jié)合，可使器件的封裝降至最小——80x60像素的攝像頭，足以小到可以安裝到如今很多手機(jī)攝像頭所用的32針連接器中。有三種型號(hào)的攝像頭視場(chǎng)設(shè)置為25°或50°，可查看范圍更廣的場(chǎng)景或用于更長(zhǎng)距離成像。

Lepton熱成像相機(jī)分線板是FLIR針對(duì)此攝像頭提供的評(píng)估板，可以極其快速地評(píng)估這些紅外攝像頭模塊，并且它兼容各種基于ARM的開發(fā)系統(tǒng)，例如BeagleBoard和RaspberryPi。

3D飛行時(shí)間攝像頭

針對(duì)車載攝像頭推出的另一項(xiàng)技術(shù)是飛行時(shí)間(TOF)3D圖像感應(yīng)技術(shù)，這一技術(shù)的推出歸功于集成度和小型化的發(fā)展。這些復(fù)雜的設(shè)備可有效地映射3D表面，精度達(dá)到毫米級(jí)。激光LED發(fā)出調(diào)制式紅外光后，傳感器檢測(cè)到其反射光。然后再測(cè)量照射光和反射光之間的相移，并據(jù)此計(jì)算視場(chǎng)內(nèi)物體和傳感器之間的距離。此計(jì)算將按每個(gè)像素進(jìn)行，結(jié)果將用于產(chǎn)生三維圖像數(shù)據(jù)的點(diǎn)圖。

與其它3D成像方法相比，如使用兩個(gè)攝像頭產(chǎn)生立體視覺或?qū)⒔Y(jié)構(gòu)化光圖案投射到場(chǎng)景上并測(cè)量失真方式，TOF技術(shù)在物理緊湊性、響應(yīng)時(shí)間和簡(jiǎn)潔性方面更勝一籌。相對(duì)而言，它也不受環(huán)境光條件變化影響。

很容易想象，如何在汽車裝置中使用TOF3D攝像頭，為倒車攝像頭系統(tǒng)提供更為精細(xì)的數(shù)據(jù)，以辨別倒車車輛和路上任何障礙物之間的距離。TOF3D成像也可用于自動(dòng)駕駛應(yīng)用，以幫助汽車了解場(chǎng)景（因?yàn)樗兄诜蛛x背景和前景），或在汽車內(nèi)部用于人臉識(shí)別或手勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)。

圖2：(a)TI針對(duì)其TOF傳感器的攝像頭開發(fā)工具框圖。(b)傳感器板。

市面上供應(yīng)的TexasInstrumentsTOF傳感器：OPT8241。此QVGA格式傳感器（320x240分辨率）最大幀率為150fps，支持高像素調(diào)制頻率(>50MHz)且信噪比提高至5倍。設(shè)計(jì)與此IC搭配使用的是OPT9221TOF控制器，其中包括了可編程定時(shí)發(fā)生器，用于控制圖像的光調(diào)制、讀出和數(shù)字化序列。由于定時(shí)發(fā)生器可編程，所以可以根據(jù)很多個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化，包括環(huán)境光消除和運(yùn)動(dòng)魯棒性，并且它還可用興趣區(qū)域來(lái)編程。

TI針對(duì)TOF傳感器的攝像頭開發(fā)工具（圖2）具有OPT8241圖像傳感器，外加OPT9221TOF控制器以及一個(gè)模擬前端(VSP5324)。采用此設(shè)置，幀率最高可達(dá)60fps，視場(chǎng)為75°（水平）和60°（垂直）。它可映射最遠(yuǎn)4米外的物體，因此最適合提醒駕駛者即將碰到柱子。

人臉識(shí)別

最新的攝像頭技術(shù)不但價(jià)格低廉而且處理器尺寸緊湊，因此已經(jīng)有人開發(fā)出了人臉識(shí)別板，例如OmronB5THVC（人類視覺元件）。使用復(fù)雜的專有算法，Omron的識(shí)別板可以識(shí)別人的臉和手勢(shì)，甚至?xí)L試猜測(cè)所檢測(cè)臉部的表情。識(shí)別人是車輛應(yīng)用方面一項(xiàng)十分有用的功能，可用于檢測(cè)駕駛者并將收音機(jī)調(diào)到他們最喜歡的頻道，或預(yù)先加載導(dǎo)航系統(tǒng)，將其設(shè)為他們喜歡去的地方?；蛟诤⒆觽?cè)谲嚴(yán)飼r(shí)告訴娛樂(lè)系統(tǒng)并將節(jié)目限于適合全家共賞的內(nèi)容。此外，也可用于單純計(jì)算乘客數(shù)量并相應(yīng)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)。

圖3：Omron人臉識(shí)別板。

Omron的算法還可實(shí)現(xiàn)像檢測(cè)眼睛何時(shí)閉上甚至估計(jì)凝視方向之類功能，現(xiàn)已廣泛用于數(shù)字?jǐn)z像頭來(lái)辨別對(duì)象何時(shí)看向攝像頭。這些功能可用于售后攝像頭系統(tǒng)，檢測(cè)駕駛者是否在看路或被車內(nèi)其他事物分心，也可以在他們快要睡著時(shí)發(fā)出警報(bào)聲叫醒他們。

Omron的人臉識(shí)別板只有60x40mm見方，并且耗電不足0.25A。該識(shí)別板很容易數(shù)字值來(lái)作為參數(shù)，用戶ID、每只眼睛的眨眼程度、水平和垂直凝視角度、估計(jì)年齡等，且可以選擇使用獲取的圖像。距攝像頭1.3米之內(nèi)效果最佳。

雙儀表板攝像頭

安裝在儀表板和擋風(fēng)玻璃上的攝像頭可記錄車外情況，在市場(chǎng)上很受歡迎，因?yàn)樗鼈兺ǔ１挥米鳌昂谙蛔印眮?lái)確定事故中的過(guò)錯(cuò)方。隨著消費(fèi)者對(duì)這些系統(tǒng)的接受度增加，他們將獲得車道偏離或前方碰撞提醒功能，這都得益于圖像處理技術(shù)。因?yàn)檫@些系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，有些使用雙攝像頭實(shí)現(xiàn)3D立體視覺或物體檢測(cè)，或只是單純?yōu)榱双@得前端和后端視野（通過(guò)前后窗口）。

圖4：(a)Lattice雙輸入?yún)⒖荚O(shè)計(jì)框圖。(b)采用MachX02雙圖像傳感器接口板結(jié)構(gòu)的參考設(shè)計(jì)。

采用雙攝像頭輸入系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于保持圖像質(zhì)量的同時(shí)使成本降低。雖然有些系統(tǒng)使用兩個(gè)攝像頭模塊和兩個(gè)圖像處理器，或使用一個(gè)較為昂貴的可以處理兩個(gè)輸入的處理器，但實(shí)際上，大多數(shù)圖像處理器可以支持來(lái)自兩個(gè)圖像處理器的數(shù)據(jù)，雖然它們一直被設(shè)計(jì)為只處理一個(gè)輸入。Lattice已提出使用其MachX02可編程邏輯器件作為橋接器的適用于雙攝像頭系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)（圖4）。此設(shè)計(jì)允許兩個(gè)攝像頭與一個(gè)圖像處理器交互，從而降低零件數(shù)量和成本。它可以同步、合并串聯(lián)傳感器接口并可將其轉(zhuǎn)換為CMOS并行總線。

此參考設(shè)計(jì)可以使用MachX02雙圖像傳感器接口板、9MT024傳感器NanoVestaHeadboard和HDR-60開發(fā)工具進(jìn)行構(gòu)建。Lattice器件能夠解串兩個(gè)傳感器接口，然后在SDRAM輔助下組合圖像進(jìn)行幀緩沖。輸出為組合圖像的并行總線，因此圖像信號(hào)處理器可以處理該數(shù)據(jù)流。

隨著行業(yè)在面向自主駕駛車輛的智能攝像頭系統(tǒng)領(lǐng)域不斷取得進(jìn)步，部分技術(shù)已應(yīng)用于普通轎車。新的攝像頭技術(shù)以及復(fù)雜的圖像處理解決方案應(yīng)用越來(lái)越廣，這些創(chuàng)新可用于改型攝像頭系統(tǒng)，增加現(xiàn)有車輛的智能水平，提高舒適性、娛樂(lè)性和安全性。