LED照明技術和基於視覺的先進駕駛輔助系統(ADAS)各自為其特定領域帶來明顯的優勢。交集在於,基於視覺的系統需要準確地確定LED燈的狀態。而燈的閃爍對可靠的識別具有挑戰。

兩個重要的趨勢改變了當今汽車的外觀和感覺。在駕駛艙,ADAS從簡單的停車感測器到自動煞車,幫助駕駛人因應保持安全和遵守法規等日益複雜的挑戰。而在外部,LED外部照明啟發多種新風格,以期增強銷售吸引力和強化品牌形象。然而,LED照明的吸引力並不限於車身。越來越多的LED用於道路指示牌,從十字路口的交通號誌燈到道路兩側的標誌、高速公路通知和緊急訊號等。

LED電子看板與照明

LED技術逐漸滲透至汽車領域,為汽車製造商和處於壓力下的高速公路管理局帶來了控制能源和維護成本的優勢。

基於LED的交通路口號誌功耗遠低於含有白熾燈泡的傳統燈具。根據已經將十字路口號誌轉換為LED燈的管理當局表示,該區的電力成本節省了大約60~70%。多家知名的LED交通號誌製造商也指出,最新的燈具展現比白熾燈泡更高90%以上的能效,而且也比前一代LED燈的能效更高15%以上。此外,LED燈的壽命可以長達10年,而白熾燈泡預估為一年。這顯著減少了訊號維護,以及緩解交通阻斷。

對於一座大的城鎮來說,從燈具使用的生命週期能夠節省的公用事業和維修成本可能高達數百萬美元。

汽車的LED外部照明從尾燈和方向燈開始,並隨著白光LED的性能和亮度充份改善,逐漸朝著車輛前方的日間行車燈發展。就汽車產業而言,卓越的可靠性是LED燈的一大優勢。燈的設計可能使其適用於汽車的整個使用壽命期,從而有助於減少設計和生產成本。

此外,緊密的表面貼裝LED發射器尺寸,賦予汽車設計者更多的自由度來因應燈具的尺寸和形狀,以利於其打造富有想像力的設計,以及滿足所有適用的法規要求。LED照明的另一項優勢是更易於進行電子控制,透過比傳統繼電器更可靠的半導體,從而支援多種不同的作業模式,如與情境有關的閃爍和排序。

車輛和道路指示燈的LED照明前景十分樂觀。相關產業將持續導入這項技術,滲透至越來越多的電子看板應用以及更廣泛的車款中。

另外,汽車製造商和終端使用者也一直積極採用ADAS。ADAS可作為一種重要的工具,幫助駕駛人在行駛中對經常出現在面前的大量資訊做出正確反應,以及協助處理交通狀況和提高舒適度和安全性。

對於汽車製造商,創新的ADAS特性可提供讓一輛車從競爭中脫穎而出的高度可用方法,因為根據法規要求,當今汽車的許多方面已經標準化。製造商還可以使用ADAS區分出自己的產品系列。

基於視覺的駕駛輔助

ADAS包含多種系統,例如倒車停車輔助、盲點檢測、虛擬車鏡、自動緊急煞車與交通號誌辨識等基於視覺的系統。每輛車的視覺‘節點’數預計將從目前約一、兩支攝影機的搭載率,快速增加到兩位數。

根據Research and Markets的‘2015~2020年全球和中國視覺ADAS產業調查報告’顯示, 全球汽車視覺系統市場有望在2020達到超過1.4億套相機模組的年出貨量。僅就美國的情況來看,2015年交通號誌辨識系統市場約為1.75億美元,預計到2020年時將成長至3.8億美元。

系統開發人員正積極回應這一市場需求,以視覺系統為基礎提供更多的功能和更好的性能,特別是其處理各種照明條件的能力。例如,針對視野中包含很亮和很暗的區域,如明亮的天空存在黑暗的陰影,這時就需要精確的影像擷取,因此,高動態範圍(HDR)感測器應運而生。

內部場景的動態範圍可能達到120dB以上。安森美半導體(ON Semiconductor)的AR0231AT汽車CMOS影像感測器透過每格4次曝光並結合這些值計算每一畫素的線性化20位元值,產生了均勻的曝光影像。圖1顯示AR0231AT HDR模式如何修正擷取影像中曝光不足和過度曝光等極端情況。

20161017 OnSemi TA31P1 圖1:比較非HDR(左)和HDR模式(右)作業

為了保持低光靈敏度,同時支援高動態範圍,感測器採用大尺寸的(3.0um)畫素,支援低和高的轉換增益設定,並可由一個自動曝光控制模組進行設定或手動調整。

LED和ADAS的交集

汽車照明和道路標誌採用越來越多的LED,對車輛的視覺感測系統帶來了不同的挑戰。LED照明,如電子看板可能每秒閃爍幾百次,這可能導致傳統的電子快門(electronic shuttering)模式產生偽影像。

這種效應是擷取明亮場景時的最糟情況,它可能導致快門設定的整合時間遠較訊號持續期間更短。圖2顯示一個較短的整合樣本視窗如何導致檢測發光的LED發生部份或完全故障——這可能使得煞車光線檢測、夜視輔助或交通號誌辨識等系統無法正常運作。

20161017 OnSemi TA31P2 圖2:傳統的電子快門可能在檢測閃爍光源時發生故障

為了防止LED閃爍的效應,安森美半導體在其AR0231感測器中建置減少LED閃爍(LED Flicker Mitigation;LFM)的先進機制。LFM採用動態快門和傳送閘作業,讓整合時間隨訊號視窗延長。圖3顯示LFM如何有效克服由於LED閃爍造成的訊號辨識障礙。在現場十分明亮的情況下,LFM模式的影像能夠與正常的視訊格疊加,從而完全擷取交通號誌資訊,而不至於使CMOS感測器光電二極體飽和。

20161017 OnSemi TA31P3 圖3:非LFM(左)和LFM(右)模式的訊號辨識

該感測器還支援在八個畫素時脈內的多相機同步,而不至於降低最大畫面播放速率。這增強了ADAS系統的性能,透過兩個或更多攝影機的影像,如虛擬車鏡替代。

此外,還提供了一系列的特性,支援必須符合汽車安全整合層級(ASIL)-B/ISO26262功能安全標準的系統,包括迴圈冗餘校驗從感測器發送到主機的所有資料、記憶體內建自測試(BIST)以及每一訊號格發送的額外資料,以驗證行、列和暫存器內容等資料的正確性。

為迎接黃金時期準備就緒

LED照明技術以及基於視覺的ADAS,分別為各自特定的領域帶來明顯的優勢。其交集在於,基於視覺的系統需要準確地確定LED燈的狀態。過去,燈的閃爍對於可靠的辨識帶來挑戰。新的電子快門技術建置於相容最新ASIL-B標準的CMOS視覺感測器中,如今更能確保可靠的LED電子看板辨識。