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LED“闪烁”不再是实现自动驾驶的“拦路虎”

2018/09/21
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阅读需 21 分钟
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频闪,有频率的闪烁,光随着时间快速、重复的变化就叫频闪,直接的感受就是光源调动、不稳定。产生频闪的原因是灯具使用交流电供电,其光亮度会随着交流电的周期性变化而变化。

LED 灯是常见的具有频闪危害的光源,在交通灯、车灯等领域有广泛的应用,普通人看来这似乎并没有什么不妥,但是当摄像头开始作为汽车信息采集源之后,LED 灯频闪的危害开始显现。

LED 灯频闪给汽车摄像头采集信息造成干扰
如今的汽车摄像头系统采用 CMOS 图像传感器,是能达到 100-200 万像素的高清传感器。单 双目摄像头和雷达系统融合,能为驾车人提供障碍物或者移动物体的速度、距离和外观形状等信息。而自动驾驶无非就是利用深度学习算法对摄像头等采集的信息加以分析,然后替代人类驾驶人员作出驾驶行为。

豪威科技中国区汽车电子业务部总监刘琦表示:“LED 灯以一个基础频率,以及可调节的占空比来调整亮和暗的强度。对于人眼来说,LED 光源是持续的,但 HDR 相机却捕捉到了亮和暗的属性,并且在观看视频的时候出现‘闪烁’。”

两相结合来看,当带有 HDR 相机的汽车在捕捉 LED 路牌和其他的车辆的 LED 光源时,将会在摄像头传回来的画面里出现信息缺失或者信息错误。这样的情况下,人类还敢相信智能后视镜甚至是自动驾驶吗?

分析此中原因,刘琦指出:“当前的 LED 灯频率多数介于 90-270 赫兹之间,通常一个亮暗周期小于或者等于 11 毫秒。汽车流媒体后视镜上的 HDR 相机一帧图像通常是 16.6 毫秒,但是曝光时间多数介于 3-4 毫秒。因此,相机无法在任何曝光时间下(长、短或极短)捕捉到 LED 脉冲,并且 LED 在视频中也无法被观测。”

在豪威科技上海公司我们见到了这种情况的 demo 演示,其左边的相机就是没有经过技术加持的普通 HDR 车载相机,在人眼看来 LED 灯是长亮的情况下,左边的相机却形成了灯是暗的画面。


豪威科技 demo 示意图

LED“闪烁”如何解决?
从当前的局势来看,要实现高级别的自动驾驶,汽车是离不开摄像头的辅助,如果不解决 LED 灯“闪烁”的问题,安全就要时刻打上一个问号。抑制、消除 LED 灯“闪烁”在研究自动驾驶的道路上是绕不过的坎。


刘琦介绍称,当前有三种方法可以解决 LED 灯“闪烁”问题,分别是 LOFIC 技术、斩波技术和分离像素技术。其原理是为了保证捕捉到一个 90Hz LED 脉冲至少需要 11ms 的曝光时间,LFM(减少或消除 LED 闪烁)技术需要相机能够延长曝光时间,并使其比 LED 驱动周期更长,同时不出现过曝,且维持一定的动态范围水平,那问题就得到了解决。

豪威科技新型 HDR 图像传感器
在三种抑制 LED“闪烁”的技术中,豪威科技选择了分离像素技术。刘琦在分析过程中提到:“LOFIC 在像素中拥有额外存储电容的线性二极管,提供扩展的全阱容量。全阱容量越高,越容易捕捉 LED 脉冲,并且不会超过像素的饱和度,可以应用于 SPD(小光电二极管)或 LPD(大光电二极管),但在高温时会有噪声问题。斩波则是在时域部分电荷从光电二极管转移到外部存储电容(帧周期的集成分布),可确保捕捉到 LED 脉冲,可应用于 SPD 或 LPD。但高温时也会有噪声问题。”

针对分离像素技术,刘琦讲到:“使用分离像素架构,并且降低小光电二极管敏感度,是目前看最理想的解决方案。首先,小光电二极管能延长曝光时间,使其足够长,以确保 LED 脉冲的捕捉;其次,大光电二极管可以确保低光条件下的高灵敏度;而额外的极短曝光(VS)可以捕获场景中最亮的部分。”

基于分离像素技术,豪威科技推出了两款 HDR 图像传感器 OX01A10 和 OXO2A10。这两款传感器将分别应用于侧视和后视摄像头监控系统(CMS)。0X01A10 和 0X02A10 传感器基于 OmniVision 4.2 微米 OmniBSI 像素架构,采用像素拆分技术,提供卓越的高动态范(HDR)和一流的低光性能,是汽年行业领先 LED 减闪方案的代表。

“普通 HDR 摄像头的短曝光时间导致图像传感器错过 LED 的‘on’脉冲,从而在显示器上的视频流中产生了‘闪烁’现象。仅仅通过增加普通像素技术的曝光时间来抓取 LED 脉冲并不能解决问题,反而会导致饱和及动态范围损失。” Omnivision 产品营销经理 Marius Evensen 说道。“我们设计的 0X01A10 和 0XO2A10 图像传感器通过采用减少 LED 闪烁的技术来专门解决这一问题,使 E-视镜在汽车市场得以广泛应用。这两款传感器已纳入我们不断扩大的针对机器和视觉显示系统的汽车专用数字成像解决方案组中。”

OXO1A10 和 0X02A10 的动态范围可达 110dB,同时保证了 LED 脉冲的捕获,使相机在所有的光照条件能发挥出色摄像功能。这使得车载摄像头能够同时捕获明暗两种场景,即使在最苛刻的光照条件下也能保证最佳质量的图像效果。OXO1A10 支持 1280×1080 分辨率,横纵比为 1:1.2,非常适合用于侧视摄像头。专用于后视摄像头的 OXO2A10 传感器支持 1840X940 分辨率,横纵比为 2:1。传感器上的芯片组算法能够降低数据输出率,便于数据传输和后端处理。

0XO1A10 和 0XO2A10 两款产品目前已量产。

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韦尔股份/豪威科技

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豪威集团-上海韦尔半导体股份有限公司(SH:603501)是全球排名前列的中国半导体设计公司。集团总部位于上海,研发中心与业务网络遍布全球,年出货量超过123亿颗。豪威集团致力于提供传感器解决方案、模拟解决方案和触屏与显示解决方案,助力客户在手机、安防、汽车电子、可穿戴设备,IoT,通信、计算机、消费电子、工业、医疗等领域解决技术挑战,满足日与俱增的人工智能与绿色能源需求。

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与非网副主编,网名:吴生,电子信息工程专业出身。在知识理论的探寻之路深耕躬行,力求用客观公正的数据给出产品、技术和产业最精准的描述。