车用影像感测如何实现“HDR+无频闪”？ST为你放大招

现在很多视频有HDR(高动态范围图像)效果。但是在车载摄像领域，仍然会出现闪烁和光晕现象，因此不能HDR和抗闪烁兼得。

　　意法半导体(ST)将于2018年三四月推出一款车载摄像感应器方案，具有HDR和防闪烁功能，可用于行车记录仪、ADAS环场、倒车镜等，将来还有望用于电子后视镜。

　　图：未来的汽车电子后视镜摄像头

　　为此，ST影像产品部技术市场经理张程怡先生来京，向媒体介绍了这种技术原理及ST的方案。

　　车载摄像与手机拍照的不同之处

　　车载追求HDR与无闪烁，而手机为何没有这些指标呢?

　　*HDR(高动态范围图像)。车载摄像技术和手机最大的差异，车载不太讲究多少像素，例如1千万、2千万像素，手机照片是一张张(一帧帧)地拍摄。但车载产品关注的是速度，是连续拍摄，因此追求720P和1080P等动态摄像指标，还有HDR。因为在开车的时候，户外环境随时都有很暗或很亮的场景。手机照相只要足够亮就行了，但车载有可能在特别亮时忽然进入树荫或隧道，很亮和很暗要同时都能够显像。

　　与此相对应的是，手机等一般的照相对动态范围不够关注。例如人站在太阳光下或树旁，可以点(聚焦)一下屏幕上的人，就可把人拍得很清楚，但旁边泛白了;如果点(聚焦)旁边的树，人脸却黑了。

　　不过，在你开车时，首先你不可能边开车边点击屏幕上的图案。这就有可能造成亮的地方过亮，暗的地方过暗。这种手机技术用于行车记录仪，效果不佳。所以车载中第一个关键指标是HDR的能力，即最暗和最亮之间的宽度。

　　*无闪烁。闪烁主要是由于LED光源。尽管LED灯从照明角度看有节能、高效等优势(注：LED灯的特色之一是可调光，因此可节能。但调光通常采用PWM调制，但路上见到的采用PWM调制LED的光源没有标准频率，光源之间无相位相干性)，常用于霓虹灯、红绿灯、LED车灯等。但LED由于采用PWM调制，是闪烁光源，只不过人眼看不出闪烁，但摄像头/机器由于频宽很宽，会摄到闪动或光晕。

　　例如行车记录仪，如果解析度足够高，可以看到LED等的闪烁;如果解析度较低，会看到光晕很大——这是闪动的效果，因为图像感应器一曝、两曝、三曝……，一直重复堆叠在曝光(如图1的第1行)。

　　图1 ST的双二极管方案与传统3次曝光方案比较(本图中：第1行的曝光周期内，短曝光没有抓到第二行的“开”，因此会出现黑色/频闪;而ST方案，在长中短曝周期内，都没有丢掉信号)

　　ST独特的双二极管方案

　　为此，ST的新产品首先要达到抑制的效果，即可以看到画面是稳定的——人眼看它没有闪，它就没有闪，人眼看它是暗的，摄像头看的就是暗的。

　　如何做到不闪烁?ST有特殊的双二级体(diode)工艺。

　　如图1，第2行是一个闪烁的LED光源。一般的影像感应器是光进来它就会取像，即有一个曝光时间，然后取完光后关掉(消隐)。但在关的过程中，假设外部的光(第2行)是亮一下、关一下地闪烁，这个外面的光源(第2行)是关/开、关/开——关的时间较长、开的时间短，人眼是察觉不到“关”的。

　　如图1，传统的2次或3次曝光时间HDR传感器：在阳光直射下，长曝光总是饱和，而中短曝光因时间太短而错失LED脉冲(注：HDR通常由多个LDR(低动态范围图像)合成的，而LDR对应不同的曝光时间，例如长、中、短曝光。长曝光适合暗处，短曝光适合亮处。)。

　　具体到图1，传统的车载感应器(第1行)，为了使很亮和很暗都能看到，就采用长中短曝的效果——长曝把时间拉很长。因此现在光虽然很暗，但若时间一拉长，还是可得到信号的。但在短曝光时(第一行)，看到了LED灯关，因此就会闪烁。

　　为此，ST推出了双二级体方案(图1的第3和第4行)。原本在一个条件下做长中短曝光(图1第1行)，现在一个二极管专做长曝，另外一个专做中和短曝。

　　这里最难的是工艺，如何使感应器表面的感应层里的二极管等同它下面的两块(注：一个做长的，一个做中短的)，还要再结合起来，速度要结合得足够快?ST也是因为有自己的制程才能做到。

　　具体地，难点是一个感应器的sensor(传感器)有很多层堆叠，有些叫感应层，其中有一层是Diode(二极管)，在当中切了两块，在半导体制程当中是一层一层堆叠上去的，一个做长曝，一个做中短曝。

　　那么，是不是竞争对手学会了这个方法也会做出来?实际上，各家有自己的独门功夫。但ST的看法，如果你要单二极管(图1第1行)，长中短曝为了要规避一定的问题，HDR性能一定会牺牲掉一些。因此不闪烁和宽动态二者兼得比较难。

　　ST的组合方案

　　ST的传感器方案是VG6768(图像传感器)+STV0971(图像处理器)。 其中VG6768(图像传感器)是145 dB HDR;而此前业界一般是120 dB左右，还有较为高端的是130dB。可见VG6768有较大性能优势。

　　  小结

　　HDR与无闪烁，是车载摄像追求的目标。过去擅长消费电子摄像传感器的ST公司，通过创新的双二极管工艺，推出了VG6768(图像传感器)+STV0971(图像处理器)方案，达到了145 dB HDR且无闪烁的效果。