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瞄準汽車安全應用 CMOS影像感測器朝「視覺系統」進化

上網時間: 2006年12月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:CMOS影像感測器  SunShield  機械視覺系統  2D  3D 

現在的汽車可以在你倒車時對後方的障礙物發出警報、會告訴你該在哪裡轉彎,還能幫忙你路邊停車;因此你可能會以為目前的機械視覺技術(machine vision)已臻完美境界,但實際上並非如此。

事實上,以上描述的汽車功能所用的只是一種替代真正機械視覺的臨時性(make-shift)技術。新的CMOS影像感測器晶片正在興起,它們可以透過3D點對點(pixel-by-puxel)直接感測空間的深度,讓機械視覺系統能察覺到目標所在,並作出適當反應。

根據市場研究公司ABI Research的數據,目前汽車感測器市場規模已達25億美元;而根據來自其他市調機構的資料顯示,應用在安全、工業自動化和視訊遊戲等領域的感測器市場規模也達到了7.5億美元。

尋找低成本感測方案 數位相機受矚目

目前的汽車系統都是透過超音波感測器(ultrasonic sensors)來計算距離的,例如在駕駛人倒車的時候發出障礙物警報。目前在開發中的更為精密且昂貴的感測器,則是使用雷達(radar)和雷射雷達(lidar)技術。而世界上所有公司都在嘗試成本更低的方法──即是使用相機來計算距離。由於手機應用領域所打開的規模經濟,數位相機已經能在成本上與類比感測器相抗衡。

ABI Research資深分析師David Alexander指出:「數位相機變得如此便宜,讓整個業界都在嘗試使用它代替昂貴的超音波、雷射雷達和雷達感測器。此外相機的另一個優點是,不同的駕駛輔助應用都可以分享同一台相機的資源,甚至使用同樣的專用運算晶片和軟體來計算距離。」

機械視覺演算法和3D相機能夠實現很多汽車駕駛安全方面的應用,包括防撞、車道偏離警報和車道維持(可導引駕駛人回到原車道)、背面障礙物警報、行人監測、車距監測(讓駕駛人與前車保持適當的距離)、夜視、自動頭燈調節、交通/限速標誌識別和盲點監測等等。

「現在已經有採用2D相機提供車道偏離警報的應用,這種相機能從車輛的前方定位車道線,偵測並識別限速標誌、偵測盲點區域,並針對後方的超車進行警告。」Alexander指出:「而新的功能則能在車輛事故發生之前預警,計算碰撞事故發生的可能性、並在事故發生的剎那掌控煞車與啟動安全氣囊。」

能提供「感知」功能的新式CMOS感測器晶片

1999年成立的CMOS影像感測器晶片設計業者Canesta,經過7年的努力研發了一種頗具前景的新技術。該公司的CMOS影像感測器能同時偵測一個鏡頭中的所有的物體的距離,不像超音波只會感測與最接近的物體的距離;該功能是透過由影像晶片上的每個像素所執行的硬體「飛行時間(time-of-fight)」計算達成的。

「Canesta研發的方法看來頗具潛力,因為它只使用了一個相機,而且是採用CMOS技術,對維持低成本是一大關鍵。」Alexander表示:「再加上使用了“飛行時間”方法來計算距離,因此可以實現汽車的各種功能。」

Canesta的「飛行時間」式運算方法,是運用了一種紅外線光源來照亮有不可見光的區域,然後測量出光從發射器(在成像器後面)“飛行”到外面的物體,最後返回CMOS感測器的時間。透過使用CMOS晶片上的硬體,機械視訊演算法可計算出一個鏡頭的場景中每個點和汽車間的距離,並輕鬆地把這些目標物分門別類──因此從本質上來說,這是「感知(perceiving)」而非僅是感測。

「我們採用的是任何工廠都能做到的標準0.18微米CMOS製程。」Canesta總裁兼執行長Jim Spare表示:「此外我們的SunShield技術可讓我們不受光照條件的影響感測深度,不需等待自適應式的演算法插手。」

透過在每個映像點(pixel)加入電路,SunShield技術能「即時」感測每100微秒內環境光的變化,而不像自適應軟體演算法那樣得花費幾毫秒的時間來適應改變的光線環境。

Alexander亦指出:「Canesta與眾不同之處就在於Sunshield技術,這個技術解決了使用相機的一個最大的問題──是否能在不斷變化的光線環境下為汽車帶來足夠的安全性。我認為Canesta確實意識到了這一點,但是要解決汽車應用上的各種問題,他們還有很多努力的空間。我認為Canesta可能會在2008年或者2009年推出首款一般汽車用的3D相機。」

Canesta在汽車應用領域的第一個產品,可能是在新款Honda汽車中配備的3D相機,該款相機安裝在汽車前座,可感測乘客的體型並適當調節安全氣囊。目前這個功能通常是透過安裝在座椅中的壓力感測襯墊(pressure pad)來實現的,但使用一個CMOS相機的成本跟使用感測墊差不多,卻可以為汽車帶來許多其它應用,例如提供可辨別駕駛人的正常眨眼與打瞌睡時的閉眼動作,並發出“防瞌睡”警報的功能。

還有其它公司也在嘗試研發能夠以點對點方式探測深度的CMOS影像感測晶片,其中值得一提的是International Electronics & Engineering。而另一家公司Mobileye則沒有使用3D影像成像器,而是選擇採用一個普通的2D相機結合其CMOS硬體加速器晶片,來分析並運算距離。

(參考原文:CMOS image sensors aim for true machine vision)

(R. Colin Johnson)




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