为了实现自动驾驶,车内及车外正在发生的所有状况,均应搜集一切相关资讯。除了监控驾驶的状态,掌握车内的3D资料,亦能促成全新的人机介面(HMI)概念顺利落实。在先进驾驶辅助系统中,以及研发自动驾驶车的过程里,包括驾驶专注度和车内状况等精密准确的即时资讯,都是必备的条件。
3D摄影机助力 车内外资讯一眼看穿
透过精密的3D摄影机,车辆得以捕捉驾驶的动作,并将资讯传送至先进驾驶辅助系统(ADAS)。假如驾驶闭上了眼睛或未正视前方,系统就会触发警报。万一驾驶未能即时反应,系统甚至能启动紧急刹车辅助。此外,3D摄影机的晶片,还能提供直接测量的深度资料,而不用先以角度资讯进行计算,像是立体摄影机即需要进行这一类的计算,必须仰赖大量的运算输入。以英飞凌为例,该公司REAL3影像感测器,只需精巧的安装空间,便能实现3D视野系统,且室内和户外环境皆适用。
市面上已出现许多撷取3D资讯的技术,举立体视觉(Stereo Vision)为例,此系统用两部2D摄影机从不同的角度拍摄景物,并计算其距离(深度)。这种方法的优点是,只须使用低成本的标准影像感测器就能实现,但也须要进行硬体上的调整和校正,相当耗时。此外还必须配合极为复杂且需要大量运算的演算法。最后一点,这种方法在亮度不佳且光线不断变动的条件下,发挥有限。
另一种3D技术则使用结构光,也就是将已知的图案投射于景物,然后再从计算图案的分布中求得深度。这种方法在多路径干扰的情况下具有优势,但却需要高科技摄影机,还需要有特殊的主动照明,镜头和图案投影机之间也需要准确稳定的机械调整。因此需要大量输入用于校正。此外,反射的图案对于光干扰和材质极为敏感。
实现精确影像撷取 ToF感测器不可缺
采用时差测距(ToF)成像的影像感测器,像是英飞凌所推出的REAL3影像感测器(图1),即让体积小巧、精准且具备多功能的3D影像撷取解决方案得以成真。这些感测器可测量调变光源和反射之间的相位移,再将其转换为距离资讯。运用相应的ToF摄影机,主动将可调变振幅的红外线照射在景物上,再利用摄影机和/或影像感测器对光线投射到物体接着反射两者之间的时间差作计算,测量每一像素的相位移。如此摄影机即能求得所描绘物体每一像素的深度和振福。ToF方法的优点还包括了摄影机体积轻巧、在任何光线条件下均可运作,且容易校正。
图1 REAL3影像感测器示意图
ToF技术具备了出色的延展跟缩放能力,也就是说,从最近的几公分到最远20公尺以上,都在摄影机的对焦范围内,只要具备高功率照明就行。个别距离的标准深度解析度为1%,测量解析度目前最高可达352×288像素,摄影机每秒可捕捉一百张影像。ToF摄影机通常包含下列元件:照明单元、光学系统、感测器、控制电子和评估级(图1)。
照明单元可能采用LED或雷射二极体,以足够的速率(如LED最高达30MHz)加以调变,让感测器得以准确测量时差。照明单元大多在近距红外线范围内照射,因此能将摄影机环境的任何干扰减至最少。光学系统(镜头)可收集从环境里反射的光线,然后将景物映射在感测器上。带通滤光片只会允许照明单元可用的波长通过,这有助于减少大部分的背景光干扰。
ToF摄影机的核心为3D影像感测器(图2),可测量每一像素的深度及振幅值。照明单元和感测器都必须透过精密的电子系统加以控制,以达到最高的精准度,而这些电子系统都已整合于REAL3影像感测器。实现高效能的影像辨识,除了针对特殊应用最佳化的摄影机系统,还需要对应的运算单元来处理资料,乃至于用于处理3D资料(如手势辨识)的软体(中介软体)。虽然多数的背景光已透过光学滤光片加以抑制,但像素仍有很大的深度动态范围须要处理。因此制造商针对感测器提出了各种不同的策略,有效抑制大部分的背景讯号。
图2 3D影像感测器为ToF摄影机核心,可实现高效能的影像辨识。
高整合度设计强化3D ToF影像感测器效用
英飞凌与来自德国席根的Pmdtechnologies公司合作,开发出高效能且高整合度的3D ToF摄影机晶片。Pmdtechnologies为此晶片系列作出的最大贡献是ToF像素矩阵,其具备专利的背景光抑制(SBI)功能。SBI可延伸感测器晶片的动态功能,避免了强光下的过度饱和,例如于户外阳光直射下运作等情况。
整合SBI电路的感测器可搭配高亮度日光照度,达到150klx采用对应摄影机设计的系统运作。3D影像感测器结合了高效能的ToF像素矩阵、最佳化经过量产考验的CMOS制造技术,还有系统单晶片(SoC)整合,将感光区与混合讯号电路整合至单一晶片。
REAL3影像感测器具备目前最高的整合度,加入以下多项功能:感光像素阵列、智慧控制逻辑、A/D转换器、像素矩阵调变、自主式阶段序列,以及数位输出介面。
产品的高整合度,造就出众多优点。最佳化的CMOS技术,使其在红外线范围内拥有高灵敏度。专利的SBI电路使每一像素在各种光源条件下均能可靠运作,无论是在明亮的日照下或黑暗中,亦或在建筑或车辆内外。透过每一个像素直接测量深度和振幅,省去了大量的计算作业。
ToF单晶片具备标准的摄影机介面,容易整合。采用单眼摄影机系统架构,因此不需要考量机械基准,照明单元的摆放位置不受感测器的影响,甚至不需要任何的机械调整或角度修正,同时也不须要针对震动或热影响重新校正。
REAL3影像感测器可在1ms至4ms的时间内快速读出资料,并支援100fps(每秒画格数)以上的画格率。此影像感测器还可透过I2C介面动态设定,因此可随着相位测量的次数及运作时的曝光时间来调整画格率,针对光线和运作条件将各种功能最佳化,同时将耗电量降至最低。此外,智慧型的电源管理系统亦可确保降低耗电量。英飞凌的合作夥伴Pmdtechnologies公司,亦开发出可在制程末端快速可靠校正影像感测器的方法。这种一次性的校正方法,每部ToF摄影机只耗费不到10秒,为量产时的关键需求。
提升汽车安全 3D影像感测器少不了
此REAL3影像感测器,可用以生产体积迷你、高精准度的单眼3D摄影机系统。这一类的系统可应用在需要手势辨识的电脑、家电装置,当然也包括工业用HMI和创新的汽车应用。将3D影像感测器运用到车辆,大幅提升了驾驶的安全性和便利性。为了实现自动驾驶,进而提升安全性,必须针对车内及车外正在发生的所有状况,掌握一切相关资讯。除了先前提到的驾驶状态监控,撷取车内的3D资料,也能实现崭新且干扰更少的HMI概念。
例如,3D摄影机可用于判断驾驶头部的确切位置。取得这项资讯后,就能调整出最佳的抬头显示器视线,或在不考量头部位置下,以拟真且流畅的方式在实际环境中投影扩增实境应用。亦支援免触控以手势控制资讯娱乐、导航和HVAC系统。
此外,还能对乘客进行分类,以套用预设对应的偏好设定,例如座椅的位置、照后镜的调整、安全气囊的触发力道等。小巧且高效能的3D摄影机同时也是极为关键的元件,可用于提供停车辅助的全方位视线,用于侦测障碍物,或是用于自动驾驶的其他一般工作上。REAL3影像感测器能够运用于车辆的重要条件,包括其对环境影响的高耐受力、轻巧的尺寸、低设计复杂度,还有高阶且可动态设定的扩充能力。再加上,相较于其他3D技术,这种影像感测器需要的运算输入较少,因此占用的CPU效能也较少。
因应自动驾驶设计 3D影像感测器商用日益普及
REAL3影像感测器系列目前包含两个系列:侧向解析度160×120画素(QQVGA)的IRS1010C,和352×288画素(CIF)的IRS1020C,使用的画素数量可透过软体自由选择。适用于消费者电子市场的晶片,已采裸晶方式大量供应。除消费者应用版本之外,目前也正在开发采用汽车市场适用的BGA封装的影像感测器世代。此封装符合AEC-Q100标准,尺寸为10公厘×10公厘,系针对 -40℃∼105℃的环境温度所设计。
除了3D感测器晶片,最新的CamBoard pico flexx(图3)亦开始提供3D摄影机的参考设计。由Pmdtechnologies所开发224×172画素解析度的摄影机系透过USB2.0连接埠供电,并以英飞凌最新推出的3D影像感测器晶片为基础,尺寸仅68公厘×17公厘×7.25公厘,为目前市面上最小巧的深度感测器摄影机。CamBoard pico flexx使用红外线雷射作为照明单元,可弹性使用各种画格率,最远距离达到4公尺,而且3D影像感测器和照明单元的平均耗电量仅300mW。
图3 CamBoard pico flexx使用红外线雷射作为照明单元,提供3D摄影机另种参考设计。
Kostal公司也利用REAL3影像感测器为基础,开发出可用于监控驾驶状态的3D摄影机(图4),该产品不只整合影像处理,更达到量产品质的原型。摄影机可透过四十九个参考点,稳定可靠地捕捉驾驶的脸部轮廓,即使照明条件不断变动也不影响。搭配3D深度资料使用,甚至可用来侦测头部位置(x、y和z方向)、头部方向(偏摆、俯仰和翻滚角度)和眼皮的闭合。此摄影机支援352×288画素(CIF)解析度、高达50fps的画格率,可扫描最远1.5公尺的物体,深度解析度高达1公分。Kostal在第66届国际汽车展(IAA)上展出其智慧型ToF摄影机。
图4 运用REAL3影像感测器为基础,所开发出之3D摄影机可用于监控驾驶状态。
英飞凌3D影像感测器目前已可运用在各式各样的应用之中,除了最早用于消费者应用的版本,日后也将推出用于工业及汽车电子的版本。举例来说,对应的REAL3影像感测器已用裸晶的方式运用到Google ATAP Project Tango之中。Tango 专案包含具备额外感测器和摄影机的智慧型手机与平板电脑,可用3D扫描环境,以运用在像是室内导航和扩增实境等应用。
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