CCD與CMOS傳感器未來在汽車領域的應用分析

駕駛輔助系統(tǒng)是汽車電子領域成長最快的市場之一。Mercer Management Consulting預計：2010年，北美和歐洲該市場的年營收將成長約14%,達25億歐元。目前，配備著雷達、超音波和紅外線傳感器的系統(tǒng)在為攫取主要客戶而廝殺；但拉動成長的主力是基于照相機的系統(tǒng)。夏普預測，在未來5年，相機傳感器年平均成長可望達42%.其他一些專家甚至預計，同期的年平均成長率將超60%.

TFT LCD（液晶顯示器）進一步推動了此一成長：汽車在使用越來越多的LCD,它不僅被用于導航、娛樂和舒適電子的中央工作單元，還作為儀表板上各式各樣的顯示模塊，該趨勢為基于相機的駕駛輔助系統(tǒng)鋪平了道路。作為對雷達、超音波和紅外線傳感器的補充，照相機為各種駕駛路況提供了完整影像信息。例如，對具有視覺能力的人類來說，在停車時，與借助用以指示車輛與鄰近障礙物距離的聲音警示信號來精確評估周圍環(huán)境相較，透過清晰的影像能容易地多地做出評判。對許多新式汽車、特別是視野受限（尤其是后視時）的越野車和多種小型車來說，可視化功能為防范事故做出了重大貢獻。目前為止，尚沒有對聲音駕駛信息這種抽象形式的替代。但，專門為駕駛艙汽車應用設計LCD的推出，使借助完整影像信息告知駕駛在他們駕駛車輛的周圍所發(fā)生的情況成為可能。最精確的視覺輸入是作為影像傳感器的照相機所提供的，它將提升未來駕駛輔助系統(tǒng)的感知能力。

對駕駛信息和主動駕駛輔助系統(tǒng)的不同要求，使系統(tǒng)各具特色。

嚴格說來，駕駛輔助系統(tǒng)這個寬廣領域可細分為兩個在技術途徑上截然不同的分支。第一類是為駕駛提供'視覺輔助'.這類具有輔助視覺的系統(tǒng)借助不同的傳感器提供車輛外圍的其它信息；例如，提供處在盲區(qū)（或在晚間）的障礙物或其它道路使用者的情況。但這種系統(tǒng)完全由司機評估這些信息并做出相應反應。主動駕駛輔助系統(tǒng)則與此不同，這體現(xiàn)在諸如規(guī)避交通事故或根據(jù)交通流量和限速要求來變更車速等方面。主動系統(tǒng)不僅告知駕駛相應的駕駛狀況且還在行車過程中對駕駛行為進行主動干預。兩種系統(tǒng)的不同功能使對各自系統(tǒng)所用的傳感器有根本不同的要求。

與大小和分辨率類似的CMOS傳感器相較，由于技術原因，CCD傳感器通常有更高的光感應度。因此，車用后視攝影鏡頭注定會采用CCD傳感器，在車輛后視應用中能在光線不好的條件下提供清晰的影像很重要；如：在黑暗的多層停車場或夜晚的街道等場合。夏普為該特定應用推出的照相機模塊采用的是270k像素分辨率和1.8勒克司靈敏度的1/4英寸芯片組。該指標相當于晚間、月光下街道的光照條件，在這種場合，該相機模塊能輸出詳細、明亮的影像。鏡頭具有130°視角，可以清楚地顯示車后部的情況。180°視角的CCD模塊已處于原型制造階段。歸功于軟件的改善，下一代CCD模塊還將整合自動導引功能；例如，在倒車時該功能可辨認出有直接危險的區(qū)域。

圖1：CCD和CMOS攝影鏡頭相得益彰。駕駛信息系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)具有不同要求。

CMOS:未來汽車的通用技術

主動駕駛輔助系統(tǒng)所用傳感器應具有的首要特性是：速度快。特別是在高速行駛場合，系統(tǒng)必須能記錄關鍵駕駛狀況、評估這種狀況并實時啟動相應措施。在140 km/h的速度，汽車每秒要移動40公尺。為避免主動駕駛輔助系統(tǒng)兩次信息獲取間隔及其間自動操控的行駛距離過長，要求相機具有最慢不低于30幀/秒的影像捕捉速率，在汽車制造商的規(guī)格中，甚至提出了60和120幀/秒的要求。雖然借助逐行掃描等方法，CCD傳感器的影像捕捉速率也可提升到一定水平（如60幀/秒）；但在此，CMOS傳感器有如下優(yōu)勢：本質上，CMOS是種更快的影像采集技術--CMOS傳感器內的單元通常是由3個晶體管主動控制和讀出的，這就顯著加速了影像采集過程。用于汽車應用的CMOS相機模塊，如夏普開發(fā)的那些，就具有30幀/秒的影像采集速率。CMOS傳感器性能還有很大的提升空間，目前，基于CMOS的高性能相機能達到約5,000幀/秒的水平。

采用CMOS傳感器的前視相機之所以是更好的選擇，并不僅僅因為其更快的影像捕捉速度。在高亮度環(huán)境下，對后視攝影鏡頭來說CCD很重要的高的光感應度，將引發(fā)所謂的'綻放效應'（blooming effects），其原因是：在傳感器內的單元被讀取前，一個單元內的過多電荷擴散到周圍的其它單元因而損壞了影像。前視攝影鏡頭往往受到迎面而來車輛的強光照射或要求它能在強烈的亮-暗反差對比下（如進出隧道時）也可提供詳細的影像。更大的動態(tài)范圍，也為在前視攝影鏡頭中選用CMOS照相機模塊加分。目前的CMOS傳感器的動態(tài)范圍大約在60到90db,人眼能夠觀察到105db,夏普努力使其新一代CMOS模塊盡可能地接近這一基準。

CMOS傳感器還具有數(shù)字圖像處理方面的優(yōu)勢。CCD傳感器通常提供模擬TSC/PAL信號，也許必須采用額外的AD轉換器對其進行轉換、或是CCD傳感器要與帶數(shù)字影像輸出的逐行掃描方法一起工作。無論哪種方式，讓采用CCD的照相機提供數(shù)字影像信號都顯著增加了系統(tǒng)復雜性；而CMOS傳感器可直接提供LVDS或數(shù)字輸出信號，主動駕駛輔助系統(tǒng)內的各組成部份可直接、無延遲地處理這些信號。

圖2：攝影鏡頭模塊必須小巧、堅固、防水。

與傳統(tǒng)數(shù)字相機或相機手機比，不論采用哪種技術，車用相機模塊的使用都有特殊要求。機械強度和耐高溫性是其中決定性的標準。為滿足歐洲汽車產(chǎn)業(yè)日益成長的要求，夏普未來的模塊可工作在-40℃到150℃的溫度范圍。這些模塊將采用特殊封裝，使相機兼具所需的強韌性和抗?jié)B透性--它們是嵌入在車前部、主動駕駛輔助系統(tǒng)的一項基本要求。這些模塊不僅暴露在車外，還會受到高速行駛時飛奔而來的水滴的高壓擊打。因用于主動駕駛輔助系統(tǒng)的照相機是關乎行車安全的組件，它們還必須能在供電系統(tǒng)暫時斷電時可靠工作。雖然一般用于后視攝影鏡頭，夏普的CCD模塊還具有一到兩分鐘（取決于車載電壓）的電能儲備，即使（暫時）沒電時，該模塊也能完全正常工作。

車用模塊要求非常緊密的建構。汽車制造商的要求是要能以幾乎覺察不到的方式把照相機整合在車輛設計中。例如，在實踐中，這意味著要把照相機模塊嵌放在車的后窗框、車外鏡或保險桿內，CCD或CMOS模塊越緊密、這種整合就越雅致。夏普目前擁有用于汽車應用的最小CCD相機模塊，其尺寸只有28 × 28 × 25.4毫米。隨著車用相機的持續(xù)小型化，CMOS技術將在未來發(fā)揮越來越重要的作用。因CMOS模塊的系統(tǒng)復雜性比CCD模塊的低，所以CMOS模塊可做得比CCD模塊的小得多。

高對比度顯示器明察秋毫

分辨率是車用相機模塊的第二個關鍵指標。就整合在目前和下一代車輛儀表盤內的LCD來說，根據(jù)制造商和型號的不同，其分辨率是QVGA和WVGA水平。夏普的采用CCD模塊、具有270k分辨率的照相機已能提供可被大多數(shù)顯示器顯示的影像信息量。目前市場上的大多數(shù)CMOS傳感器也是這種情況。在車用領域，體現(xiàn)顯示器清晰程度的對比度是比分辨率要關鍵得多的指標。2,500:1的對比度確保了車用顯示器即便在惡劣光照條件下也具有最佳分辨率，因而使來自不同駕駛輔助系統(tǒng)的影像信息在任何時候都清晰可見。此外，諸如半透半反式顯示和1/4λ防反射涂層等技術運用特殊的附帶光相移方法消除了反射，這樣即便在陽光直射條件下，車內顯示器的內容仍清晰可辨。

本文小結

因CCD和CMOS攝影鏡頭的不同特點，這兩種技術被認為在汽車領域具有互補性。CCD模塊具有更高的靈敏度，因而主要作為后視攝影鏡頭；CMOS攝影鏡頭，因其高影像捕捉速率和更大的動態(tài)范圍，所以主要作為主動駕駛輔助系統(tǒng)的'眼睛'.這兩種類型的相機都必須滿足主要圍繞于耐高溫、機械強度、抗?jié)B透性和緊密建構形態(tài)等方面的高要求。

長期看來，CMOS系統(tǒng)將主導汽車相機市場。一旦CMOS傳感器實現(xiàn)了在黑暗環(huán)境中、特別是為后視攝影鏡頭所必須的影像性能，它們就還將提供其它好處。這主要體現(xiàn)在更高的擷取速度、更緊密的設計和更低成本以及其它若干好處上，另外，持續(xù)在車上應用CMOS模塊所促成的更低的整體系統(tǒng)復雜性也對實現(xiàn)這些利益有貢獻。長期看，一個重要的方面是人們期待照相機不僅是用于駕駛輔助系統(tǒng)的傳感器，它還能完成其它功用；例如，作為停放車輛的監(jiān)控相機，以防范車輛被撬鎖破窗及遭受其它破壞。