隨著攝像頭系統(tǒng)在車輛中的應(yīng)用日趨普遍，對改型儀表板錄像機（行車記錄儀）、輔助駕駛、報警攝像頭、倒車攝像頭以及夜視系統(tǒng)的需求也與日俱增。 由于消費者對這些系統(tǒng)的功能需求日益增多，所以各種新型攝像頭技術(shù)應(yīng)運而生。它們既可以單獨使用，也可以和復(fù)雜的傳感器融合應(yīng)用中的標準 CMOS 圖像傳感器一起使用。

同時，因為有眾多參考設(shè)計和開發(fā)工具可供您快速上手，所以采用這些新技術(shù)來開發(fā)系統(tǒng)變得前所未有的簡單。 下面是我們認為在這一富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用領(lǐng)域最具前景的部分精選技術(shù)和工具。

紅外攝像頭

紅外攝像頭的成像依據(jù)是波長超過可見光的紅外線，也就是說，發(fā)熱的物體看上去較亮，而較冷的區(qū)域?qū)⒖瓷先ポ^暗。 這對于機器視覺系統(tǒng)十分有用，因為它可以檢測視場內(nèi)的人或動物，可能包括在車輛周圍公路上活動的行人、寵物或野生動物。 在增強可見光攝像頭的噪聲數(shù)據(jù)方面，紅外技術(shù)尤為有效；但紅外攝像頭也可以作為夜視系統(tǒng)單獨使用，幫助駕駛者在黑暗處行車或倒車進入昏暗車庫時發(fā)現(xiàn)行人或動物。 在車內(nèi)，紅外攝像頭可以檢測有無寵物或孩童，以免他們被遺忘在高溫車廂內(nèi)，在基于攝像頭的控制系統(tǒng)中也可用于手勢識別。

多年來市場上出售的紅外攝像頭都采用檢測長波紅外線 (LWIR) 的 CMOS 圖像傳感器形式，但由于所檢測波長較長，導(dǎo)致所能檢測到的物理尺寸有限制，其外型也相對笨重，直到近期，情況才有所改善。 如今的處理技術(shù)和小型化技術(shù)已經(jīng)能生產(chǎn)出微小型設(shè)備，且其價格是傳統(tǒng)熱成像攝像機的十分之一，因此得以廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品和車輛成像系統(tǒng)。

圖 1：(a) FLIR Lepton 小型紅外攝像頭。 (b) Lepton 攝像頭模塊框圖。

FLIR Systems 的 Lepton 紅外攝像頭就是順應(yīng)這一趨勢的完美典范。 最前沿的制造技術(shù)能夠作為成像器自身一部分在制造過程中從晶圓級構(gòu)建出低成本的透鏡，從而減少工藝步驟數(shù)。 晶圓級封裝與單片集成控制電子元件（其中包括 DSP 和 SPI 接口）相結(jié)合，可使器件的封裝降至最小——80 x 60 像素的攝像頭，足以小到可以安裝到如今很多手機攝像頭所用的 32 針連接器中。 有三種型號的攝像頭視場設(shè)置為 25° 或 50°，可查看范圍更廣的場景或用于更長距離成像。

Lepton 熱成像相機分線板是 FLIR 針對此攝像頭提供的評估板，可以極其快速地評估這些紅外攝像頭模塊，并且它兼容各種基于 ARM 的開發(fā)系統(tǒng)，例如 BeagleBoard 和 Raspberry Pi。

3D 飛行時間攝像頭

針對車載攝像頭推出的另一項技術(shù)是飛行時間 (TOF) 3D 圖像感應(yīng)技術(shù)，這一技術(shù)的推出歸功于集成度和小型化的發(fā)展。 這些復(fù)雜的設(shè)備可有效地映射 3D 表面，精度達到毫米級。 激光 LED 發(fā)出調(diào)制式紅外光后，傳感器檢測到其反射光。 然后再測量照射光和反射光之間的相移，并據(jù)此計算視場內(nèi)物體和傳感器之間的距離。 此計算將按每個像素進行，結(jié)果將用于產(chǎn)生三維圖像數(shù)據(jù)的點圖。

與其它 3D 成像方法相比，如使用兩個攝像頭產(chǎn)生立體視覺或?qū)⒔Y(jié)構(gòu)化光圖案投射到場景上并測量失真方式，TOF 技術(shù)在物理緊湊性、響應(yīng)時間和簡潔性方面更勝一籌。 相對而言，它也不受環(huán)境光條件變化影響。

很容易想象，如何在汽車裝置中使用 TOF 3D 攝像頭，為倒車攝像頭系統(tǒng)提供更為精細的數(shù)據(jù)，以辨別倒車車輛和路上任何障礙物之間的距離。 TOF 3D 成像也可用于自動駕駛應(yīng)用，以幫助汽車了解場景（因為它有助于分離背景和前景），或在汽車內(nèi)部用于人臉識別或手勢檢測系統(tǒng)。

圖 2：(a) TI 針對其 TOF 傳感器的攝像頭開發(fā)工具框圖。 (b) 傳感器板。

市面上供應(yīng)的 Texas Instruments TOF 傳感器：OPT8241。 此 QVGA 格式傳感器（320 x 240 分辨率）最大幀率為 150 fps，支持高像素調(diào)制頻率 (> 50 MHz) 且信噪比提高至 5 倍。 設(shè)計與此 IC 搭配使用的是 OPT9221 TOF 控制器，其中包括了可編程定時發(fā)生器，用于控制圖像的光調(diào)制、讀出和數(shù)字化序列。 由于定時發(fā)生器可編程，所以可以根據(jù)很多個變量進行優(yōu)化，包括環(huán)境光消除和運動魯棒性，并且它還可用興趣區(qū)域來編程。

TI 針對 TOF 傳感器的攝像頭開發(fā)工具（圖 2）具有 OPT8241 圖像傳感器，外加 OPT9221 TOF 控制器以及一個模擬前端 (VSP5324)。 采用此設(shè)置，幀率最高可達 60 fps，視場為 75°（水平）和 60°（垂直）。 它可映射最遠 4 米外的物體，因此最適合提醒駕駛者即將碰到柱子。

人臉識別

最新的攝像頭技術(shù)不但價格低廉而且處理器尺寸緊湊，因此已經(jīng)有人開發(fā)出了人臉識別板，例如 Omron B5T HVC（人類視覺元件）。 使用復(fù)雜的專有算法，Omron 的識別板可以識別人的臉和手勢，甚至?xí)L試猜測所檢測臉部的表情。 識別人是車輛應(yīng)用方面一項十分有用的功能，可用于檢測駕駛者并將收音機調(diào)到他們最喜歡的頻道，或預(yù)先加載導(dǎo)航系統(tǒng)，將其設(shè)為他們喜歡去的地方。 或在孩子們在車里時告訴娛樂系統(tǒng)并將節(jié)目限于適合全家共賞的內(nèi)容。 此外，也可用于單純計算乘客數(shù)量并相應(yīng)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)。

圖 3：Omron 人臉識別板。

Omron 的算法還可實現(xiàn)像檢測眼睛何時閉上甚至估計凝視方向之類功能，現(xiàn)已廣泛用于數(shù)字攝像頭來辨別對象何時看向攝像頭。 這些功能可用于售后攝像頭系統(tǒng)，檢測駕駛者是否在看路或被車內(nèi)其他事物分心，也可以在他們快要睡著時發(fā)出警報聲叫醒他們。

Omron 的人臉識別板只有 60 x 40 mm 見方，并且耗電不足 0.25 A。該識別板很容易數(shù)字值來作為參數(shù)，用戶 ID、每只眼睛的眨眼程度、水平和垂直凝視角度、估計年齡等，且可以選擇使用獲取的圖像。 距攝像頭 1.3 米之內(nèi)效果最佳。

雙儀表板攝像頭

安裝在儀表板和擋風(fēng)玻璃上的攝像頭可記錄車外情況，在市場上很受歡迎，因為它們通常被用作“黑匣子”來確定事故中的過錯方。 隨著消費者對這些系統(tǒng)的接受度增加，他們將獲得車道偏離或前方碰撞提醒功能，這都得益于圖像處理技術(shù)。 因為這些系統(tǒng)越來越復(fù)雜，有些使用雙攝像頭實現(xiàn) 3D 立體視覺或物體檢測，或只是單純?yōu)榱双@得前端和后端視野（通過前后窗口）。

圖 4：(a) Lattice 雙輸入?yún)⒖荚O(shè)計框圖。 (b) 采用 MachX02 雙圖像傳感器接口板結(jié)構(gòu)的參考設(shè)計。

采用雙攝像頭輸入系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于保持圖像質(zhì)量的同時使成本降低。 雖然有些系統(tǒng)使用兩個攝像頭模塊和兩個圖像處理器，或使用一個較為昂貴的可以處理兩個輸入的處理器，但實際上，大多數(shù)圖像處理器可以支持來自兩個圖像處理器的數(shù)據(jù)，雖然它們一直被設(shè)計為只處理一個輸入。Lattice 已提出使用其 MachX02 可編程邏輯器件作為橋接器的適用于雙攝像頭系統(tǒng)的參考設(shè)計（圖 4）。 此設(shè)計允許兩個攝像頭與一個圖像處理器交互，從而降低零件數(shù)量和成本。 它可以同步、合并串聯(lián)傳感器接口并可將其轉(zhuǎn)換為 CMOS 并行總線。

此參考設(shè)計可以使用 MachX02 雙圖像傳感器接口板、9MT024 傳感器 NanoVesta Headboard 和 HDR-60 開發(fā)工具進行構(gòu)建。 Lattice 器件能夠解串兩個傳感器接口，然后在 SDRAM 輔助下組合圖像進行幀緩沖。 輸出為組合圖像的并行總線，因此圖像信號處理器可以處理該數(shù)據(jù)流。

隨著行業(yè)在面向自主駕駛車輛的智能攝像頭系統(tǒng)領(lǐng)域不斷取得進步，部分技術(shù)已應(yīng)用于普通轎車。 新的攝像頭技術(shù)以及復(fù)雜的圖像處理解決方案應(yīng)用越來越廣，這些創(chuàng)新可用于改型攝像頭系統(tǒng)，增加現(xiàn)有車輛的智能水平，提高舒適性、娛樂性和安全性。