汽车LED照明与ADAS之间的关系

Getaway

LED照明对于汽车和道路标志带来了诸多改善，但同时也为基于视觉的驾驶辅助系统（如交通标志辨识、自动刹车以及夜视功能）带来了种种挑战……, E0 j# p6 D3 a, q+ f& k

LED照明技术和基于视觉的先进驾驶辅助系统（ADAS）各自为其特定领域带来明显的优势。交集在于，基于视觉的系统需要准确地确定LED灯的状态。而灯的闪烁对可靠的识别具有挑战。
$ p/ V  Q- ^" M& x2 ?! B

) p( ?; |# c, T0 e' {
两个重要的趋势改变了当今汽车的外观和感觉。在驾驶舱，ADAS从简单的停车传感器到自动刹车，帮助驾驶人因应保持安全和遵守法规等日益复杂的挑战。而在外部，LED外部照明启发多种新风格，以期增强销售吸引力和强化品牌形象。然而，LED照明的吸引力并不限于车身。越来越多的LED用于道路指示牌，从十字路口的交通号志灯到道路两侧的标志、高速公路通知和紧急信号等。

LED电子广告牌与照明
6 t( e% T9 H! j
1 Y! [  `% J. A; F  wLED技术逐渐渗透至汽车领域，为汽车制造商和处于压力下的高速公路管理局带来了控制能源和维护成本的优势。
2 b- s, ~9 y8 l5 \2 L4 C' `0 c5 W% f& s, F3 R# s( R& W
5 O( O1 r% ?8 D3 d% v& V基于LED的交通路口号志功耗远低于含有白炽灯泡的传统灯具。根据已经将十字路口号志转换为LED灯的管理当局表示，该区的电力成本节省了大约60~70%。多家知名的LED交通号志制造商也指出，最新的灯具展现比白炽灯泡更高90%以上的能效，而且也比前一代LED灯的能效更高15%以上。此外，LED灯的寿命可以长达10年，而白炽灯泡预估为一年。这显著减少了信号维护，以及缓解交通阻断。. ~. x: H. a) |; `
. B% d: }% Q# O8 h
对于一座大的城镇来说，从灯具使用的生命周期能够节省的公用事业和维修成本可能高达数百万美元。" }! ]" I3 J* ?" c) j8 o3 s' m
9 N1 }* D& O' N% K4 C' {  K
5 _( M0 J9 B  k2 Q汽车的LED外部照明从尾灯和方向灯开始，并随着白光LED的性能和亮度充份改善，逐渐朝着车辆前方的日间行车灯发展。就汽车产业而言，卓越的可靠性是LED灯的一大优势。灯的设计可能使其适用于汽车的整个使用寿命期，从而有助于减少设计和生产成本。
& `: `  p8 ?( q% P6 U9 e) |/ o, A3 F3 n' v/ f% y: v
, e4 v- a3 m; Q* |; R! u, e7 _& h此外，紧密的表面贴装LED发射器尺寸，赋予汽车设计者更多的自由度来因应灯具的尺寸和形状，以利于其打造富有想象力的设计，以及满足所有适用的法规要求。LED照明的另一项优势是更易于进行电子控制，透过比传统继电器更可靠的半导体，从而支持多种不同的作业模式，如与情境有关的闪烁和排序。

- a$ F) `( Z! r4 o9 q% Y车辆和道路指示灯的LED照明前景十分乐观。相关产业将持续导入这项技术，渗透至越来越多的电子广告牌应用以及更广泛的车款中。" U( H! Q. k: K! m7 a. I
& P2 h3 t, y! k% Z- [8 O5 {: F# x+ K
另外，汽车制造商和终端使用者也一直积极采用ADAS。ADAS可作为一种重要的工具，帮助驾驶人在行驶中对经常出现在面前的大量信息做出正确反应，以及协助处理交通状况和提高舒适度和安全性。6 m5 j4 T5 o/ ]+ y. \
) h- n0 s0 I! w
4 n2 X( }" P+ }1 x/ _对于汽车制造商，创新的ADAS特性可提供让一辆车从竞争中脱颖而出的高度可用方法，因为根据法规要求，当今汽车的许多方面已经标准化。制造商还可以使用ADAS区分出自己的产品系列。
" D8 z4 ~# P5 M" f' B6 s5 Y9 H! s, ~, K7 G
1 E0 [& _, a& r% Z$ {基于视觉的驾驶辅助) M5 Z- B, P$ Z* M- o0 t

ADAS包含多种系统，例如倒车停车辅助、盲点检测、虚拟车镜、自动紧急刹车与交通标志辨识等基于视觉的系统。每辆车的视觉‘节点’数预计将从目前约一、两支摄影机的搭载率，快速增加到两位数。% J0 d- n. i) G1 n% @2 H
, H3 g5 x/ r# U
根据Researchand Markets的‘2015~2020年全球和中国视觉ADAS产业调查报告’显示，全球汽车视觉系统市场有望在2020达到超过1.4亿套相机模块的年出货量。仅就美国的情况来看，2015年交通号志辨识系统市场约为1.75亿美元，预计到2020年时将成长至3.8亿美元。' z0 [& N, Z' ~) i& m

系统开发人员正积极响应这一市场需求，以视觉系统为基础提供更多的功能和更好的性能，特别是其处理各种照明条件的能力。例如，针对视野中包含很亮和很暗的区域，如明亮的天空存在黑暗的阴影，这时就需要精确的影像撷取，因此，高动态范围（HDR）传感器应运而生。
- S  d% G# H/ W$ m6 w- d: B$ U
内部场景的动态范围可能达到120dB以上。安森美半导体（ONSemiconductor）的AR0231AT汽车CMOS影像传感器透过每格4次曝光并结合这些值计算每一像素的线性化20位值，产生了均匀的曝光影像。图1显示AR0231ATHDR模式如何修正撷取影像中曝光不足和过度曝光等极端情况。8 b: X( e. R: |  a/ E7 Z; E2 b0 ^6 C* Y

& _) i2 ], [' ^8 z6 ^图1：比较非HDR（左）和HDR模式（右）作业
. U& Y+ l5 B! m
/ R7 x# e# f0 h+ }1 t4 C为了保持低光灵敏度，同时支持高动态范围，传感器采用大尺寸的（3.0um）像素，支持低和高的转换增益设定，并可由一个自动曝光控制模块进行设定或手动调整。& G# f+ w6 l3 d2 P. r  R* M- V
0 g0 L5 h7 [/ _( I7 @
2 k% @/ C8 T2 qLED和ADAS的交集2 I/ r" T* ]( V/ p9 S

汽车照明和道路标志采用越来越多的LED，对车辆的视觉感测系统带来了不同的挑战。LED照明，如电子广告牌可能每秒闪烁几百次，这可能导致传统的电子快门（electronic shuttering）模式产生伪影像。

这种效应是撷取明亮场景时的最糟情况，它可能导致快门设定的整合时间远较信号持续期间更短。图2显示一个较短的整合样本窗口如何导致检测发光的LED发生部份或完全故障——这可能使得煞车光线检测、夜视辅助或交通号志辨识等系统无法正常运作。/ B3 \% i7 {) M- a$ S
# _/ g1 ^! j: T  I( y8 E' V: l

- ?6 C( e" b2 r; W* X
图2：传统的电子快门可能在检测闪烁光源时发生故障
) }: E: Z0 M( X/ A( X( P6 k6 l* j% n
为了防止LED闪烁的效应，安森美半导体在其AR0231传感器中建置减少LED闪烁（LED Flicker Mitigation;LFM）的先进机制。LFM采用动态快门和传送闸作业，让整合时间随信号窗口延长。图3显示LFM如何有效克服由于LED闪烁造成的信号辨识障碍。在现场十分明亮的情况下，LFM模式的影像能够与正常的视频格迭加，从而完全撷取交通号志信息，而不至于使CMOS传感器光电二极管饱和。( s* A, g( p( j

图3：非LFM（左）和LFM（右）模式的信号辨识7 r9 m7 [2 G# \0 N0 d
! S3 ?. p$ |4 {3 }% n$ R8 T. q6 o6 h0 j( t
, [: ^* W, I' O+ y6 R该传感器还支持在八个像素频率内的多相机同步，而不至于降低最大帧速率。这增强了ADAS系统的性能，透过两个或更多摄影机的影像，如虚拟车镜替代。; N& ~1 E. V* G& r
7 J$ |! V1 b2 t* Z  @
! K$ S2 G! V: Y3 y3 _此外，还提供了一系列的特性，支持必须符合汽车安全整合层级（ASIL）-B/ISO26262功能安全标准的系统，包括循环冗余校验从传感器发送到主机的所有数据、内存内建自测试（BIST）以及每一信号格发送的额外数据，以验证行、列和缓存器内容等数据的正确性。2 l0 ^% n: T- S. @! x: p

& \% Z+ s" z! Q) K8 @! w为迎接黄金时期准备就绪' E2 g3 j7 B* h9 S& Z
: I4 g3 R* w, ]! s( I  M0 c7 q
LED照明技术以及基于视觉的ADAS，分别为各自特定的领域带来明显的优势。其交集在于，基于视觉的系统需要准确地确定LED灯的状态。过去，灯的闪烁对于可靠的辨识带来挑战。新的电子快门技术建置于兼容最新ASIL-B标准的CMOS视觉传感器中，如今更能确保可靠的LED光源。, t5 `1 P2 {8 h. g0 K% @
/ b' k& m; H: G: ~7 g