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汽车摄像头如何突破当前技术应用

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发表于 2021-9-11 09:08:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

越来越多的汽车应用开始部署摄像头系统和摄像头接口技术来协助驾驶员,并增强驾驶体验。传统的后视摄像头(RVC)系统只搭载了一个摄像头,如今开始被搭载四个或更多摄像头的环视系统(SVM)所取代,这些新系统具有 360°实时汽车监控功能。行车记录仪、盲区监测、夜视、道路标志辨识、车道偏离监测、自适应巡航、紧急刹车和低速防撞系统都可以减轻驾驶员的工作负担。为增强驾驶体验,驾驶人员生命体征监测、乘员检测和人机接口手势识别等多种应用中也开始引入摄像头。由于摄像头系统的发展,汽车制造商甚至可以通过替换传统的后视镜等功能来重新设计汽车轮廓。

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图 1. 摄像头在现代化汽车中广泛应用。

许多不同的摄像头应用与现在大量汽车中部署的标清(SD) RVC 的工作原理相同。十多年来,SD 摄像头已成为汽车应用中的常规部署,并从高端汽车扩展到大众车型,以满足法规要求和客户期望。SD 方案为汽车 OEM 带来了许多宝贵的优势:经过在消费电视行业多年的实践证明,该技术成熟稳定,因此风险低;对带宽的需求低,因而可以使用低成本线缆和连接器,同时还可以确保辐射性能在可控范围内,还有一系列技术成熟的视频编码器和解码器,经过实践证明可处理稳定性不高的视频输入。

如今,超高清(UHD)显示器在消费电子设备中迅速普及,使得所有类型的车辆对更大、更高清显示的需求不断上升。虽然 SD 视频方案对于小尺寸显示屏似乎还不错,但用于大尺寸显示屏 时,其缺点就非常明显(例如:由于 SD 视频带宽有限,导致高频细节不足,或在分离调制信号中的亮度和色度信号时产生串色伪影)。市场追求大尺寸显示的发展趋势,使得汽车 OEM 面临挑战,需要将摄像头架构升级到高清。解决这一挑战的一个关键构建就是将图像数据从摄像头传输到接收单元(例如:ECU 或显示器)的摄像头接口技术。

在选择新的摄像头接口技术时,首要应用特性就是所需带宽。摄像头系统的带宽要求非常广泛。采用 SD 视频分辨率的传统 RVC 系统需要较低的带宽(例如:6 MHz)。通常低速应用的环视系统采用较低的刷新速率(例如:30 Hz)实现充分曝光,这可能会限制所需带宽。侧面后视镜替代系统需在车辆的整个行驶速度范围内运行,因此采用较高的刷新速率(例如:60 Hz 或更高)尽可能减少延迟,这需要更高带宽。自动驾驶应用中的前置摄像头需要超高分辨率(例如:18+ MPixel),因此带宽要求也非常高。目前有许多摄像头接口技术,可提供较大范围的带宽,而带宽范围的选择与摄像头系统和整个车辆的多个方面会相互影响。

图像质量
摄像头接口技术实现的图像质量是架构设计中的一个关键因素。通过无法提供足够带宽的摄像头接口技术发送视频数据,可能会影响图像完整性或导致图像完全丢失。通过测量图像的锐度和动态范围等因素,可以评估摄像头接口技术引起的图像质量下降情况。

线缆属性
车辆的整个线缆总成或线束是其最复杂、最重且最难安装的组件之一。通常,汽车的整体布线长度超过一千米,因此需要认真考虑其线束要求。首先,带宽要求较高的应用(例如:自动 驾驶汽车的超高分辨率前置摄像头)需要使用高质量的重型线缆。近年来,为了增加内燃机汽车和电动汽车等的行驶里程,汽车制造商开始专注于制造更轻且更节能的汽车,因此线缆重量已成为越来越受关注的一个话题。对于涉及在车辆中复杂布线的应用,线缆支持的弯曲半径可能非常重要。对于摄像头位于铰链部件(例如:放置 SVM 系统的车门、或 RVC 和 SVM 系统的后备箱盖)的应用,线缆在开合周期中的稳固性至关重要。对于线缆可能暴露于恶劣环境下的应用,线缆还需要防水性。

不管选择了哪种摄像头接口技术和线缆类型,每一厘米线缆都有成本,当核算线束的所有成本时,我们会发现线束是三大最昂贵组件之一。

由于其低带宽需求,传统的 SD 视频方案可使用极具成本效益的轻型电缆。在许多情况下,SD 视频解决方案采用非屏蔽双绞线(UTP)电缆,类似于常用于 CAN 等低速控制链路的那些电缆。

连接器
线束及其连接模块的另一个关键元件是连接器。除了将线束连接至控制模块、传感器或电机,连接器还用于连接线束内同一电缆的不同部分(直插式连接器)。直插式连接器广泛用于汽 车行业,以简化线束的结构、安装和使用。例如:在非常靠近摄像头的位置使用直插式连接器意味着,如果摄像头受损,就可以在不对车辆其余线束产生明显影响的情况下更换受损摄像头。

与上面描述的线缆选择一样,连接器选择是摄像头系统总成本的一个重要决定因素。高分辨率系统通常需要使用支持更高带宽的连接器,因此成本也更高。

其他连接器考虑因素包括 PCB 和 ECU 上的连接器尺寸,连接器是否必须密封或不密封,以及是否需要颜色编码 / 键控。

传统 SD 视频方案允许在摄像头和 ECU 或多媒体主机(HU)上使用具有成本效益的连接器方案。例如:SD 视频 RVC 系统的视频信号通常与多引脚连接器上的其他信号(例如:控制网络和所需的电源信号)一起接入到 ECU 或 HU;数字链路通常需要使用专用连接器,从而使 ECU 受到 PCB 和封装限制。

车辆架构
车辆架构对选择适当的摄像头接口技术具有多方面影响。标准车辆中的线缆距离通常可以达到几米,且随着消费者开始倾向于购买更大的运动型多用途汽车,线缆长度也在不断增加。一 些车辆架构具有额外的功能,如支持泊车倒车和操控的泊车倒车辅助功能,这也可能会要求提供更长的线缆。商用汽车带来另一个架构挑战。在此车辆架构中,摄像头系统需要将线缆延伸至最大长度。大多数摄像头接口技术均支持这些车辆架构和功能,但一些可能需要使用附加模块,如中继器或中继发射机,以支持较长的线缆长度。

EMC
线缆方案的电磁辐射抑制和抗干扰性是摄像头接口技术的另一个关键因素,因为线缆可能会成为车辆内部的天线,从而带来不利影响。车辆中电子电气系统的普及导致人们越来越依赖于 这些以兼容方式共存的系统。当系统启动时,一个系统(例如:RVC 系统)影响另一系统(例如:电动汽车牵引电机或电动座椅机构)或受其影响均不可接受。为此,在选择接口技术方案之前必须考虑其辐射和抗干扰性。

为确保内部或外部干扰不会影响车辆内的系统,汽车制造商将根据其特定的 EMC 标准对所有系统进行测试。首先,对系统级组件(例如:后视摄像头或环视摄像头)进行这些测试。此类测 试成本高又耗时,而且还具有挑战性,但可确保每个模块在集成到车辆之前具有较高的鲁棒性。成功完成系统级测试后,汽车制造商还必须测试系统在持续面对高功率辐射信号时的运行能力(射频电磁场辐射抗扰度),以验证系统在车辆中的运行情况和性能。制造商还需测量车辆中所有天线的接收频段(例如:FM、GPS、移动电话、Wi-Fi 等),以确保不存在干扰信号。解决车辆的 EMC 问题既耗时又要耗费高昂成本。

其它要求
除了上述要求之外,摄像头接口技术的选择还需满足许多其他要求,如控制通道可用性、像素精度和功能安全等级。

概要
设计摄像头系统时,摄像头接口技术的选择受多种因素的影响。此外,摄像头接口技术的选择也会对集成该技术的车辆产生多方面影响。传统的 RVC 系统基于 SD 视频技术,为汽车 OEM 提供了一种可在车辆内实现视频传输的非常可靠、经济有效的方法。但是,近几年的消费产品趋势致使 SD 视频越来越不适用于大尺寸显示。同时随着立法发展以及消费者期望,使得每辆新车上的摄像头数量继续增加。

在这些趋势和发展的背景之下,出现了几种可用于当今汽车摄像头系统的摄像头接口技术。当今的摄像头接口技术范围广泛,从经过传统 SD RVC 系统验证的 SD 视频技术(例如:CVBS)到高清模拟接口技术,再到高清数字接口技术。






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