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车用影像感测如何实现“HDR+无频闪”?ST为你放大招
wangying | 2018-03-07 11:35:00    阅读:17326   发布文章

       现在很多视频有HDR(高动态范围图像)效果。但是在车载摄像领域,仍然会出现闪烁和光晕现象,因此不能HDR和抗闪烁兼得。

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      意法半导体(ST)将于2018年三四月推出一款车载摄像感应器方案,具有HDR和防闪烁功能,可用于行车记录仪、ADAS环场、倒车镜等,将来还有望用于电子后视镜。

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                                    图:未来的汽车电子后视镜摄像头

       为此,ST影像产品部技术市场经理张程怡先生来京,向媒体介绍了这种技术原理及ST的方案。

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                           车载摄像与手机拍照的不同之处

      车载追求HDR与无闪烁,而手机为何没有这些指标呢?
      *HDR(高动态范围图像)。车载摄像技术和手机最大的差异,车载不太讲究多少像素,例如1千万、2千万像素,手机照片是一张张(一帧帧)地拍摄。但车载产品关注的是速度,是连续拍摄,因此追求720P和1080P等动态摄像指标,还有HDR。因为在开车的时候,户外环境随时都有很暗或很亮的场景。手机照相只要足够亮就行了,但车载有可能在特别亮时忽然进入树荫或隧道,很亮和很暗要同时都能够显像。
        与此相对应的是,手机等一般的照相对动态范围不够关注。例如人站在太阳光下或树旁,可以点(聚焦)一下屏幕上的人,就可把人拍得很清楚,但旁边泛白了;如果点(聚焦)旁边的树,人脸却黑了。
        不过,在你开车时,首先你不可能边开车边点击屏幕上的图案。这就有可能造成亮的地方过亮,暗的地方过暗。这种手机技术用于行车记录仪,效果不佳。所以车载中第一个关键指标是HDR的能力,即最暗和最亮之间的宽度。

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        *无闪烁。闪烁主要是由于LED光源。尽管LED灯从照明角度看有节能、高效等优势(注:LED灯的特色之一是可调光,因此可节能。但调光通常采用PWM调制,但路上见到的采用PWM调制LED的光源没有标准频率,光源之间无相位相干性),常用于霓虹灯、红绿灯、LED车灯等。但LED由于采用PWM调制,是闪烁光源,只不过人眼看不出闪烁,但摄像头/机器由于频宽很宽,会摄到闪动或光晕。

        例如行车记录仪,如果解析度足够高,可以看到LED等的闪烁;如果解析度较低,会看到光晕很大——这是闪动的效果,因为图像感应器一曝、两曝、三曝……,一直重复堆叠在曝光(如图1的第1行)。

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图1 ST的双二极管方案与传统3次曝光方案比较(本图中:第1行的曝光周期内,短曝光没有抓到第二行的“开”,因此会出现黑色/频闪;而ST方案,在长中短曝周期内,都没有丢掉信号)

              ST独特的双二极管方案
        为此,ST的新产品首先要达到抑制的效果,即可以看到画面是稳定的——人眼看它没有闪,它就没有闪,人眼看它是暗的,摄像头看的就是暗的。
        如何做到不闪烁?ST有特殊的双二级体(diode)工艺。

        如图1,第2行是一个闪烁的LED光源。一般的影像感应器是光进来它就会取像,即有一个曝光时间,然后取完光后关掉(消隐)。但在关的过程中,假设外部的光(第2行)是亮一下、关一下地闪烁,这个外面的光源(第2行)是关/开、关/开——关的时间较长、开的时间短,人眼是察觉不到“关”的。
        如图1,传统的2次或3次曝光时间HDR传感器:在阳光直射下,长曝光总是饱和,而中短曝光因时间太短而错失LED脉冲(注:HDR通常由多个LDR(低动态范围图像)合成的,而LDR对应不同的曝光时间,例如长、中、短曝光。长曝光适合暗处,短曝光适合亮处。)。
        具体到图1,传统的车载感应器(第1行),为了使很亮和很暗都能看到,就采用长中短曝的效果——长曝把时间拉很长。因此现在光虽然很暗,但若时间一拉长,还是可得到信号的。但在短曝光时(第一行),看到了LED灯关,因此就会闪烁。

       为此,ST推出了双二级体方案(图1的第3和第4行)。原本在一个条件下做长中短曝光(图1第1行),现在一个二极管专做长曝,另外一个专做中和短曝。

        这里最难的是工艺,如何使感应器表面的感应层里的二极管等同它下面的两块(注:一个做长的,一个做中短的),还要再结合起来,速度要结合得足够快?ST也是因为有自己的制程才能做到。
        具体地,难点是一个感应器的sensor(传感器)有很多层堆叠,有些叫感应层,其中有一层是Diode(二极管),在当中切了两块,在半导体制程当中是一层一层堆叠上去的,一个做长曝,一个做中短曝。
        那么,是不是竞争对手学会了这个方法也会做出来?实际上,各家有自己的独门功夫。但ST的看法,如果你要单二极管(图1第1行),长中短曝为了要规避一定的问题,HDR性能一定会牺牲掉一些。因此不闪烁和宽动态二者兼得比较难。

                        ST的组合方案
   ST的传感器方案是VG6768(图像传感器)+STV0971(图像处理器)。  其中VG6768(图像传感器)是145 dB HDR;而此前业界一般是120 dB左右,还有较为高端的是130dB。可见VG6768有较大性能优势。                             

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                                         小结

        HDR与无闪烁,是车载摄像追求的目标。过去擅长消费电子摄像传感器的ST公司,通过创新的双二极管工艺,推出了VG6768(图像传感器)+STV0971(图像处理器)方案,达到了145 dB HDR且无闪烁的效果。

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