Figura 1: Senzorii de imagine sunt elemente cheie din perspectiva conducerii autonome (Sursă imagine: onsemi)
Pentru ca vehiculele complet autonome să devină o realitate va fi necesară o combinație de informații obținute de la o mulțime de senzori, iar camerele de luat vederi vor fi, probabil, cele mai importante. Este esențial ca aceste camere să fie capabile să capteze în permanență chiar și cele mai mici detalii, în orice condiții, pentru a garanta siguranța ocupanților vehiculului și a celorlalți participanți la trafic. În acest articol, analizăm principalele caracteristici ce trebuie căutate atunci când se selectează un senzor de imagine care oferă combinația optimă de funcționalități necesare pentru utilizarea în vehiculele autonome.
Senzorii de imagine convertesc fotonii de lumină în electroni, care sunt apoi stocați sub formă de imagini digitale. În prezent, senzorii de imagine sunt utilizați frecvent în aplicațiile de supraveghere video, începând cu fabricile inteligente, imagistica medicală și până la automobile. Alegerea unui senzor de imagine depinde de nivelul de performanță cerut de o anumită aplicație. Cunoașterea frecvenței de cadre necesare, a condițiilor de iluminare estimate și a toleranțelor de sistem dorite reprezintă o bază de pornire utilă pentru a decide care este cel mai potrivit senzor de imagine, însă lipsa de expertiză tehnică în domeniul sistemelor de viziune poate face ca acest proces să fie descurajant. Din fericire, există o serie de criterii ce pot fi utilizate pentru a compara performanța diferiților senzori de imagine.
Rezoluția și sensibilitatea senzorului
Rezoluția senzorului este o specificație vitală în aplicațiile în care precizia măsurătorilor este importantă, deoarece determină numărul de pixeli de pe rândurile și coloanele unei suprafețe fotosensibile care captează imaginea. Numărul minim de pixeli necesar depinde de cea mai mică particularitate care trebuie detectată într-o imagine. Deși, în teorie, pot fi utilizați doar 2 pixeli per dimensiune pentru a determina o caracteristică unică a unui obiect, lipsa de contrast și zgomotul din imagine înseamnă că, pentru aplicațiile practice, sunt necesari cel puțin 4 sau 5 pixeli suprapuși pentru a determina complet o caracteristică.
Sensibilitatea este o măsură a eficienței unui senzor în convertirea fotonilor în electroni și este importantă în aproape toate aplicațiile. Este o măsură ce ține de timpul și iluminarea necesare pentru ca un senzor să distingă o imagine utilizabilă. Sensibilitatea este, de asemenea, afectată de zgomotul senzorului, ceea ce face ca raportul semnal-zgomot (SNR – Signal-to-Noise Ratio) să fie o specificație importantă. Senzorii cu un SNR ridicat oferă imagini de mai bună calitate în condiții de iluminare redusă. Sensibilitatea este deosebit de importantă în aplicațiile de supraveghere și medicale, care necesită o calitate ridicată a imaginii chiar și în condiții de iluminare redusă. Sensibilitatea este menționată în fișa tehnică a unui senzor de imagine, dar uneori poate fi dificil să se compare sensibilitatea senzorilor de la diferiți producători. Cerința unor niveluri ridicate de detaliu chiar și în condiții de lumină foarte scăzută (aproape de întuneric) face ca rezoluția și sensibilitatea să fie specificații cheie care trebuie examinate cu atenție atunci când se selectează un senzor de imagine pentru utilizarea într-un vehicul autonom.
Gama dinamică și numărul de cadre
Gama dinamică este raportul dintre valoarea semnalului de saturație al senzorului (valoarea maximă oferită la ieșire) și semnalul de întuneric și definește câte niveluri diferite de luminozitate sunt prezente într-o imagine. Aceasta este o caracteristică deosebit de importantă în aplicațiile care se confruntă cu condiții de iluminare extreme. Rezultatele măsurătorilor pentru gama dinamică se bazează pe standardul EMVA (European Machine Vision Association) 1288 și sunt exprimate în decibeli (dB), ceea ce face ca acestea să fie ușor de comparat în majoritatea fișelor tehnice ale senzorilor.
Figura 2: Imaginea din dreapta are o gamă dinamică mult mai mare. (Sursă imagine: onsemi)
Numărul de cadre este o măsură a vitezei senzorului, dată de numărul de imagini (cadre) pe secundă (fps) pe care le poate citi electronic. Un număr mare de cadre este important în aplicațiile care captează obiecte în mișcare rapidă, unde un timp de expunere scurt este esențial pentru a preveni neclaritățile și a reduce artefactele de mișcare. Rata maximă de cadre posibilă se reduce odată cu creșterea numărului de pixeli ai senzorului. De exemplu, se poate obține un număr mai mare de cadre folosind un senzor de imagine VGA (Video Graphics Array) de calitate scăzută în comparație cu un senzor de 20 MP cu rezoluție maximă. O combinație între o frecvență de cadre ridicată și o rezoluție mare este posibilă utilizând senzori care suportă “regiuni de interes” (ROI – Regions of Interest). Acestea definesc una sau mai multe zone dintr-o imagine care urmează să fie detectate pentru procesare, toate celelalte zone ale imaginii fiind ignorate. Astfel, rezoluția generală a imaginii este efectiv redusă, permițând obținerea unor frecvențe de cadre mai mari. La fel ca și mașinile standard, vehiculele autonome se vor confrunta cu o mare varietate de condiții de iluminare în timp ce se deplasează cu viteză mare, ceea ce face ca intervalul dinamic ridicat și frecvența ridicată a cadrelor să fie caracteristici critice atunci când se selectează un senzor de imagine pentru această aplicație.
Mișcare și culoare
Rolling shutter (obturator rulant) și global shutter (obturator global) sunt cele două metode de citire utilizate de senzorii de imagine CMOS. Metoda ‘rolling shutter’ citește pixelii unui senzor linie cu linie pe măsură ce aceștia sunt expuși, ceea ce o face o tehnologie foarte rapidă. Aceasta utilizează mai puțini tranzistori per pixel, are mai puțin zgomot, este mai sensibilă și mai puțin costisitoare decât senzorii care utilizează un obturator global. Senzorii cu obturator rulant sunt recomandați în aplicațiile care necesită o gamă dinamică ridicată. Pentru citirea cu obturator global, fiecare pixel este expus în același timp, astfel încât nu există nicio întârziere de captură între liniile de pixeli. Totuși, această abordare este costisitoare și dificil de implementat.
Deși senzorii de imagine monocromi sunt acceptați în aplicații precum înregistrarea măsurătorilor și detectarea prezenței, culoarea este cerută, în prezent, în multe aplicații. Cu toate acestea, senzorii monocromi oferă unele avantaje. Pentru ca un senzor să furnizeze o imagine color, filtrele RGB sunt aplicate pixel cu pixel, dispuse într-un model Bayer. În schimb, interpolarea culorilor conform modelului Bayer are ca efect reducerea detaliilor și a preciziei generale a măsurătorilor. Prin urmare, un senzor de culoare trebuie utilizat numai dacă aplicația necesită informații color. Este evident că aplicațiile pentru vehicule autonome necesită captarea de imagini color și un senzor care utilizează o abordare de tip “rolling shutter”.
Dimensiunea pixelilor
Există o concepție greșită despre corelarea unei dimensiuni mai mari a pixelilor cu o calitate mai bună a imaginii. Deși dimensiunile mai mari ale pixelilor dispun de o suprafață mai mare pentru a colecta lumina, aceasta nu înseamnă obținerea unor imagini de o calitate mai bună. Este bine de reținut că factori precum rezoluția și metrica pixel-zgomot joacă, de asemenea, un rol semnificativ în determinarea calității imaginii. Pixelii mici tind să aibă o neuniformitate a semnalului întunecat (DSNU – Dark Signal Nonuniformity) mai mică; la temperaturi mai ridicate, DSNU limitează performanța în condiții de iluminare slabă. În unele cazuri, un senzor cu pixeli mai mici poate fi mai performant decât unul cu pixeli mai mari. Atunci când se proiectează sisteme de camere, este important să se ia în considerare echilibrul optim între viteză, sensibilitate și caracteristicile de calitate a imaginii pentru a obține performanțe superioare.
Soluție cu senzor CMOS
Familia de senzori Hyperlux este a doua generație a tehnologiei de super-expunere a pixelilor de la onsemi, care oferă performanțe remarcabile la rezoluții cuprinse între 3 MP și 8 MP și mai mari pentru aplicații de imagistică pentru automobile. Expunerea unică fără pâlpâire (FF – flicker free) de >120 dB și gama dinamică ultra înaltă (HDR – Ultra High Dynamic Range) de 150 dB cu tehnologie LED LFM (LED flicker mitigation) oferă o calitate stabilă a imaginii și o gamă dinamică pe tot domeniul de temperaturi pentru automobile, eliminând necesitatea de a schimba setările în condiții de lumină variabilă, ceea ce reduce latența și îmbunătățește siguranța. Senzorii de imagine de 2,1 µm includ funcții flexibile, cum ar fi ROI inteligent, ‘binning’, ‘windowing’ și ieșire dublă. Aceste funcții permit ieșiri flexibile ale formatului de date, cum ar fi rezoluții diferite (ROI) și date de timp de integrare diferite în paralel. Senzorul este proiectat pentru sistemul ASIL-D, iar mecanismele sale sofisticate de siguranță în timp real și funcțiile sale de detectare a defecțiunilor contribuie la atingerea unui nivel superior al sistemelor ADAS.
Înțelegerea este cheia selecției
În acest articol, am explicat caracteristicile cheie care trebuie luate în considerare atunci când se selectează un senzor de imagine CMOS pentru utilizarea în aplicațiile pentru vehicule autonome, inclusiv rezoluția, sensibilitatea, viteza, gama dinamică, mișcarea și culoarea. Senzorii de imagine Hyperlux de la onsemi oferă combinația optimă a fiecăreia dintre aceste caracteristici, ceea ce îi face ideali pentru utilizarea într-o varietate de aplicații auto.
Autor: Kyu Kho, Product Marketing,
