Melexis攜手寶馬深度剖析ToF技術(shù)賦能智能座艙

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，汽車(chē)發(fā)展至今已有100多年的歷史，汽車(chē)的電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化正在重新定義人與車(chē)的關(guān)系：司機(jī)不再只是辛勞的駕駛者，乘客不再只能無(wú)聊地打發(fā)時(shí)間。智能座艙是擁抱汽車(chē)發(fā)展新興技術(shù)趨勢(shì)，從消費(fèi)者應(yīng)用場(chǎng)景角度出發(fā)而構(gòu)建的新型人機(jī)交互體系。目前，全球知名整車(chē)廠和傳感器供應(yīng)商正積極探索智能座艙的技術(shù)落地，其中以傳感器和人工智能為基礎(chǔ)的座艙監(jiān)控（In-cabin monitoring）是重要的核心功能之一，其通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)汽車(chē)座艙內(nèi)環(huán)境來(lái)提升駕駛員及乘客的安全性。

為了提升車(chē)輛和道路的安全性，歐盟新車(chē)安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)（Euro NCAP）決定從2024年起將駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）作為五星評(píng)級(jí)的必備安全功能指標(biāo)。此外，DMS的擴(kuò)展系統(tǒng)——乘客監(jiān)控系統(tǒng)（OMS）進(jìn)一步提升了安全性、舒適性和便捷性，例如判斷是否有兒童或?qū)櫸镞z留車(chē)中、根據(jù)乘客喜好自動(dòng)調(diào)整座椅位置。DMS和OMS需要諸多傳感器，例如圖像傳感器、超聲波傳感器、壓力傳感器、加速度計(jì)等，而新型ToF傳感器則為DMS和OMS提高人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、姿態(tài)分析、座椅占用檢測(cè)等功能的準(zhǔn)確性。

寶馬利用Melexis的3D ToF技術(shù)實(shí)現(xiàn)座艙監(jiān)控

比利時(shí)微電子半導(dǎo)體解決方案全球供應(yīng)商Melexis（邁來(lái)芯）在飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。Melexis從2004年開(kāi)始ToF傳感器的研發(fā)設(shè)計(jì)，于2015年率先向行業(yè)提供滿(mǎn)足車(chē)規(guī)要求的ToF傳感器芯片。2020年9月，Melexis發(fā)布了具有QVGA分辨率的最新第三代ToF傳感器芯片MLX75026，并通過(guò)AEC-Q100車(chē)規(guī)級(jí)認(rèn)證。

Melexis通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證的QVGA分辨率ToF傳感器MLX75026

作為全球知名汽車(chē)廠商寶馬（BMW）的合作伙伴，Melexis為其座艙監(jiān)控提供ToF傳感器技術(shù)。那么，Melexis的ToF傳感器如何滿(mǎn)足汽車(chē)應(yīng)用的嚴(yán)苛要求？實(shí)際用例的表現(xiàn)如何？寶馬車(chē)內(nèi)監(jiān)控概念驗(yàn)證進(jìn)展如何？在2020 Autosens展會(huì)的在線研討會(huì)上，Melexis光學(xué)傳感器產(chǎn)品線的營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Gualtiero Bagnuoli講解了各種座艙監(jiān)控系統(tǒng)配置和ToF傳感器特點(diǎn)；寶馬Thomas Ewender博士則通過(guò)實(shí)際的車(chē)內(nèi)演示證明了ToF技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

寶馬利用Melexis的ToF技術(shù)進(jìn)行座艙監(jiān)控的概念驗(yàn)證

在線研討會(huì)：主持人（左上）、Melexis光學(xué)傳感器產(chǎn)品線的營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Gualtiero Bagnuoli（右上）和寶馬Thomas Ewender博士（下）

Gualtiero Bagnuoli首先介紹：“在DMS用例方面，采用Melexis的ToF技術(shù)之后，對(duì)駕駛員頭部位置、駕駛員眼睛不看路面、駕駛員閉眼等用例的探測(cè)準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于95%，在某些情況下甚至可接近100%。”座艙監(jiān)控的目標(biāo)是盡可能覆蓋更廣的車(chē)內(nèi)環(huán)境，以利于提供有關(guān)駕駛員和乘客位置及活動(dòng)的準(zhǔn)確信息。因此，ToF攝像頭必須具有寬廣的視場(chǎng)角（FOV）。如果希望覆蓋后排座椅，那么需將ToF攝像頭放置在后視鏡上方，最好是在車(chē)頂，以避免被前排座椅遮擋。但是，安裝在車(chē)頂位置的ToF攝像頭難以檢測(cè)到駕駛員的眼睛和面部，故無(wú)法滿(mǎn)足NCAP要求。

應(yīng)用于座艙監(jiān)控的不同ToF攝像頭配置方式

那么，Melexis的ToF技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)展至OMS，對(duì)車(chē)內(nèi)所有乘客監(jiān)控的表現(xiàn)如何呢？Gualtiero Bagnuoli在研討會(huì)上展示了采用其合作伙伴gestigon（一家專(zhuān)注于座艙3D圖像處理軟件開(kāi)發(fā)的德國(guó)初創(chuàng)企業(yè)，于2017年被法雷奧收購(gòu)）的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估套件和軟件算法進(jìn)行性能測(cè)試的結(jié)果：在水平視場(chǎng)角（FOV）分別為110°和156°時(shí)，座椅占用檢測(cè)和駕駛員活動(dòng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)相當(dāng)：FOV為110°時(shí)，座椅占用檢測(cè)和駕駛員活動(dòng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率分別為99%、97%；FOV為156°時(shí)，座椅占用檢測(cè)和駕駛員活動(dòng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率分別為98%、97%。

Thomas Ewender博士則重點(diǎn)分享了由寶馬、弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所（IOF）、gestigon和Melexis合作的聯(lián)合科學(xué)項(xiàng)目：開(kāi)發(fā)具有超大視場(chǎng)角的超緊湊型3D ToF攝像頭系統(tǒng)（MiniTOFKA），旨在探究一顆攝像頭集成車(chē)內(nèi)所用3D傳感應(yīng)用的挑戰(zhàn)及解決方案。該項(xiàng)目始于2018年12月，投資總額為340萬(wàn)歐元，其中幾乎一半資金由產(chǎn)業(yè)界合作伙伴提供，并獲得了由德國(guó)聯(lián)邦教育及研究部（German Federal institute of Education and Research）提供的資助。

一個(gè)ToF攝像頭滿(mǎn)足多個(gè)用例需求，面臨眾多挑戰(zhàn)：如何滿(mǎn)足車(chē)規(guī)級(jí)溫度穩(wěn)定性和日光魯棒性要求？設(shè)計(jì)上如何實(shí)現(xiàn)多功能的集成？車(chē)內(nèi)安裝位置的考量？……Thomas Ewender博士介紹了MinTOFKA的整體架構(gòu)情況，MinTOFKA由新型光學(xué)方案（多孔徑光學(xué)元件）與ToF傳感器組成，從而打造出尺寸非常緊湊的ToF攝像頭。

超緊湊型ToF攝像頭系統(tǒng)（MinTOFKA）的組成部分

Thomas Ewender博士介紹：“新型光學(xué)方案由兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，將視場(chǎng)角分為2個(gè)通道（見(jiàn)下圖左側(cè)）；混合光學(xué)元件由一個(gè)玻璃光學(xué)元件和一個(gè)晶圓級(jí)光學(xué)元件（WLO）組合（見(jiàn)下圖右側(cè)）。”這種全新組合有哪些優(yōu)勢(shì)？首先，薄型光學(xué)元件采用分割視場(chǎng)角式設(shè)計(jì)；其次，該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)兩次迭代，光學(xué)通道由2個(gè)增加到6個(gè)，光學(xué)元件厚度實(shí)現(xiàn)了小于10 mm的目標(biāo)，并獲得了高達(dá)170°的視場(chǎng)角；第三，由于復(fù)雜性降低并使用晶圓級(jí)光學(xué)元件，成本有所下降，同時(shí)可以獲得很高的溫度穩(wěn)定性。

MinTOFKA新型光學(xué)方案及混合光學(xué)元件示意圖

Thomas Ewender博士向大家展示了第一次迭代產(chǎn)品的實(shí)測(cè)結(jié)果：其中，手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率為86%，駕駛員手握方向盤(pán)檢測(cè)準(zhǔn)確率為92%，座椅占用檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)99%，同時(shí)展示了溫度穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果。然后，他還分享了剛剛完成光學(xué)設(shè)計(jì)的第二次迭代MinTOFKA系統(tǒng)預(yù)覽，其目標(biāo)為水平視場(chǎng)角（FOV）為169°、垂直視場(chǎng)角為127°，并增加身體姿勢(shì)識(shí)別、手指指向識(shí)別、安全氣囊控制和兒童檢測(cè)等測(cè)試項(xiàng)目。

五年前，ToF還只是一項(xiàng)小眾技術(shù)。而如今，它不僅作為手勢(shì)控制功能的核心技術(shù)在寶馬的幾乎全系車(chē)型中獲得應(yīng)用，也被智能手機(jī)、無(wú)人機(jī)和AR/VR設(shè)備等消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品認(rèn)可！關(guān)于ToF技術(shù)實(shí)現(xiàn)座艙監(jiān)控的具體細(xì)節(jié)，請(qǐng)學(xué)習(xí)由麥姆斯咨詢(xún)?cè)趪?guó)內(nèi)獨(dú)家發(fā)布的Melexis和寶馬聯(lián)合參與的在線研討會(huì)視頻！

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