车载摄像头选择指南

  • 2022-04-30
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车载摄像头选择指南

车载摄像头的种类繁多,根据用途可分为:前视测距、环顾360度 、后视倒车影像、舱内监控等(见前文《L2-L4主动驾驶视觉方案保举(一)》)。差别规格的摄像头在镜头、像素 、信噪比等参数上有很年夜差异。这些差异重要是由几年夜焦点器件:镜头、传感器、ISP 、串行器等决议的,是以要知道怎样选择摄像头 ,起首必需相识摄像头的焦点器件 。

图1:车载摄像头(侧后方视角)

车载摄像头的焦点器件

车载摄像头的事情道理以及传统摄像头是近似的,经由过程镜头会聚光芒到图象传感器外貌,图象传感器经由过程光电转换 ,孕育发生电旌旗灯号,再经由过程采样体系,天生数字旌旗灯号后 ,末了发送到主机(电脑或者中心节制器)上。

图2:车载摄像头的焦点器件

图2展示了摄像头的焦点器件构成,此中最外侧是镜头(Lens),作用是会聚光芒。镜头的光圈决议了进光量的巨细 ,FOV(Field-of-View)决议了视线规模的宽度 。图象传感器(Sensor)卖力将光子转化为电旌旗灯号,Sensor上的像素数目越多,清楚度就越高;像素的尺寸越年夜 ,感光能力就越好。ISP卖力节制成像质量 ,调解白均衡、暴光时间等参数。串行器(Serializer)卖力将原始数据调制为高速串行旌旗灯号,经由过程LVDS同轴线传出 。如下咱们逐个阐发这些焦点器件的参数以及机能。

镜头(Lens)

光学玻璃

镜头通常为由多个镜片组成,镜片的质料是光学玻璃或者塑胶。光学玻璃与通例玻璃差别 ,是哄骗石英玻璃、蓝宝石玻璃等质料加工而成的,这种玻璃具备晶体布局,而通例玻璃凡是长短晶体无机质料 。光学玻璃在折射机能 、温度特征以及经久性上有很年夜的上风 ,是以高端相机城市使用光学玻璃作为镜头。

图3:玻璃镜头

手机摄像头凡是会使用塑胶质料(例如PMMA)作为镜片,由于塑胶质料可以用注塑的体式格局一体成型,易于批量出产 ,价格低廉。比拟光学玻璃,塑胶在光学机能上略逊一筹,温度特征以及经久性都不如光学玻璃好 。

年夜大都镜头城市接纳多片镜片组(凡是2-6片)的体式格局来设计 ,有的是全玻璃镜头,即所有的镜片都是玻璃质料 ;有的是玻塑混淆镜头,也就是部门镜片是玻璃质料 ,部门镜片是塑胶质料 。

镜片还分为球面以及非球面 ,凡是球面镜片的设计以及建造都较为简朴,但光学机能欠好,非球面的建造工艺繁杂 ,对于精度要求很高,成像效果较好。

使用非球面镜片可以削减镜片的数目,提高成像质量。出格是在FOV较年夜的环境 ,例如鱼眼镜头,最外侧的镜片凡是用非球面镜片(图4) 。车载摄像头需要较高的成像质量、较好的温度特征(凹凸温)和经久性,是以每每会使用5-6片全玻璃非球面镜片。

图4:鱼眼镜头设计

光圈以及视场角

权衡镜头机能的一个主要指标是光圈。光圈的界说是镜头的焦距除了以直径(F=f/D ,D为镜头直径,f为镜头焦距) 。例如f/2.8(这里的f再也不代表焦距)的光圈,意思是焦距/直径=2.8。光圈的数值越小 ,象征着镜头的启齿越年夜,进光量就越多。例如f/1.4的光圈,进光量就年夜于f/2.8的光圈 。

图5:光圈界说

那末咱们可否无穷地提高直径/焦距的比例 ,让镜头的进光量尽可能多呢?从理论上可以设计出很高比例的镜头 ,可是凡是需要用很多繁杂的非球面镜片来实现,在现实出产历程中,非球面镜片是很难包管加工精度以及良率的 ,是以常见的车载镜头光圈值一般会在f/1.5摆布。

图6:光圈值以及进光量的瓜葛

镜头的另外一个指标是视场角(FOV),也就是镜头能看到的视线规模。焦距越小,视场角就越年夜 。FOV小的镜头 ,一般用来不雅察远处,例如前视测距凡是使用FOV 30°/60°的镜头,FOV年夜的镜头可用来不雅察近处 ,二者形成有用互补。

图7:差别FOV的镜头在主动驾驶车上的运用案例

防护等级

车载摄像头需要有较高的防护等级。防护等级是按照国际通用的尺度IEC60529-2001制订的,凡是以IP+XY暗示,XY越年夜的数字暗示防护等级越高 。例如IP69K的防护等级 ,要求摄像头能需要耐受高压水枪打击,在高温蒸汽下不会起雾等等 。这些防护等级的要求,对于镜头和总体的摄像头模组设计提出了更高的要求。

例如为了包管总体的密封性 ,镜片与镜座之间的共同必需要思量热胀冷缩引起的形变 ,不然在高温下很轻易变形,粉碎密封性。又如为了让镜头外貌不会起雾或者沾水,需要在最外层镜片镀上防水膜 ,使水点可以天然失落 。

表1总结了车载摄像头以及手机摄像头在镜头方面的重要参数差异。

表1:车载摄像头与手机摄像头的镜头重要参数差异

图象传感器

摄像头的图象传感器凡是有CMOS以及CCD两种。除了了非凡范畴(工业相机)以外,年夜大都的摄像头都使用CMOS传感器,由于CMOS的建造工艺相对于成熟 ,成本较低 。关于图象传感器,以前的几篇文章都做了具体的申明(《CMOS图象传感器的参数以及评价尺度》)。

CMOS图象传感器的几个比力主要的参数包孕:靶面巨细、像素数目 、像素尺寸等。一般来讲,手机等消费电子品 ,为了更高清的图象,凡是选择较高的像素数目,例如1亿像素(12032 x 9024) ,可是像素尺寸较小,例如0.7μm 。而车载运用上,为了有更高的动态规模以及更好的暗光机能 ,凡是会选用像素尺寸更年夜的 ,例如3μm的CMOS传感器,可是像素的数目更少,例如8百万像素(3840 x 2160)。

感光能力

除了了这些特性以外 ,敏捷度 、信噪比以及动态规模也是图象传感器的选择依据。如前文《详解图象传感器的测试尺度EMVA1288》所述,越高的信噪比,图象的对于比度就越高 ,对于细节的出现就越具体,更有益于算法举行辨认 。

敏捷度是权衡图象传感器在暗光下的体现,因为车载摄像头在夜晚(光照强度在0.1 - 1lux)也要正常事情 ,是以必需要有较高的敏捷度。别的,红外感光能力也决议了夜视的机能,车载摄像头每每能感到红外(IR)波段的光芒 ,加强夜视的效果。

图8:高敏捷度摄像头(右)暗光下的图片对于比平凡摄像头(左)

别的,为了顺应一些极度的运用场景(例如地道老手车),车载摄像头对于动态规模的要求也很高 ,一般的手机摄像头动态规模在60dB摆布 ,工业相机的动态规模为90dB,而车载摄像头需要到达120dB以上 。为了到达云云高的动态规模,需要使用HDR(High Dynamic Range)模式 。HDR的事情道理是屡次暴光 ,叠加为一张图片输出,例如一长一短两帧暴光,合成一帧。

图9:平凡摄像头(左)以及高动态规模(右)的对于比

表2 车载摄像头、手机摄像头以及工业相机的图象传感器重要参数对于比

车规要求

汽车电子元件需要在严苛的压力及动态情况下事情 ,消费者凡是但愿他们的汽车可使用 10 年以上。这象征着要害的电气部件必需维持功效正常,以降低变乱发生及削减维修成本 。

是以汽车电子委员会AEC(Automotive Electronics Council)制订了针对于汽车行业零部件的尺度AEC-Q100。电子元件的AEC认证,重要针对于其靠得住性及使用寿命。例如事情温度需到达-40℃到105℃ ,事情年限必需到达10年以上等 。

除了此以外,车载摄像头还必需满意ISO 26262 尺度,即针对于门路车辆的功效安全的危害分类体系ASIL(Automotive Safety Integration Level)的要求。凡是车载摄像头的图象传感器需要具备ASIL-B/D级另外芯片。

表3 车规级以及消费级的要求差异

数据传输

传统传输体式格局

传统摄像头的数字旌旗灯号一般经由过程USB或者网线传输到主机 。例如安防类的摄像头 ,一般经由过程网线毗连到中心节制器,由于网线可以利便地实现多路并网(每一路只需要分配一个IP地址便可),但错误谬误是轻易丢帧(收集丢包) ,并且带宽不高 ,例如千兆网线的带宽在100-1000Mbps。有些安防摄像头也是用HD-TVI的传输体式格局,该体式格局的不变性比网线高,但受制于模仿旌旗灯号的抗滋扰性 ,其带宽也不克不及到达很高(100Mbps),是以没法传输较高分辩率的图象。

USB摄像头年夜大都使用USB2.0和谈,传输带宽在480Mbps ,直接经由过程USB数据线毗连到电脑,其长处是即插即用,无需繁杂的驱动 ,但错误谬误是毗连不不变,轻易断开,传输带宽也比力低 。

手机类的摄像头 ,凡是使用mipi传输。mipi是一种高速的并行旌旗灯号,其长处是撑持高带宽数据传输(例如4.8Gbps),错误谬误是旌旗灯号轻易遭到滋扰 ,传输间隔不长。

LVDS同轴线

车载摄像头凡是需要传输原始图象数据(无压缩) ,例如8百万像素30fps的原始数据,数据量可高达3840[pix]*2160[pix]*30fps*16[bits]=3.7Gbps,远跨越USB、千兆网线的传输带宽 。同时 ,车载数据要求有高不变性(不丢帧) 、又要包管能长间隔传输(10-20m),是以需要用LVDS高速同轴线来传输 。

LVDS是低电压差分旌旗灯号,是一种低功耗、低误码率、低串扰以及低辐射的差分旌旗灯号技能。调制息争调LVDS旌旗灯号 ,需要繁杂的电路设计。为了简化,人们把调制息争调的电路设计成为了集成化的芯片,实现了这个功效 。

表4 几种数据传输体式格局的带宽以及优错误谬误

在车载范畴 ,使用患上最为广泛的是LVDS旌旗灯号调制方案是来自德州仪器(Texas Instrument, TI)的FPD-LINK技能以及美信(Maxim)的GMSL(Gigabit Multimedia Serial Links)技能。他们的技能道理都是不异的,发射端经由过程一个叫做串行器(Serdes)的芯片,将mipi并行旌旗灯号调制为串行差分旌旗灯号 ,经由过程同轴线发出。在吸收端,有一个叫做解串器(De-Serdes)的芯片,将差分旌旗灯号还原为的并行旌旗灯号(mipi) 。这类同轴线需要一种非凡的接口 ,称为Fakra ,外不雅上易于区别,如图10所示。

图10:带Fakra同轴线的车载摄像头

总结

在表5中,咱们总结了车载摄像头的一些焦点参数 ,读者在选择的时辰,可以参考这些参数的指标,依据现实的运用以及需求来选择。

表5 车载摄像头的一些要害参数指标

咱们会在后续文章中 ,陆续先容每一个要害零部件的选择参考以及评价尺度 。

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