搭载新一代图像传感器的车载摄像头赋能自动驾驶和辅助驾驶系统实现全新突破。先进驾驶辅助系统(ADAS)利用这些摄像头捕获的图像来识别车辆周围的物体，并使用立体摄像头来计算距离，从而实现自动刹车、高速巡航、车道偏离检测或停车辅助等功能。然而，目前大多数车灯和交通信号灯中使用的发光二极管 (LED) 可能会导致某些图像传感器遇到成像问题。本文将深入剖析借助超曝光像素技术缓解汽车LED 闪烁问题。
安森美(onsemi)的图像传感器采用像素溢出方法(也称为超曝光)，通过非常大的像素内溢出存储器将动态范围扩大许多倍，大大缓解了120 dB LED闪烁现象。先进的超曝光像素技术不仅能让汽车满足ADAS的要求，还可以解决有关 LED 闪烁的难题。
LED 灯光通过脉冲宽度调制(PWM)生成，其中，PWM是一种数字技术，常用于降低前灯、尾灯、交通信号灯和车辆信息系统的功耗。虽然LED的开关脉冲频率仅凭人眼无法察觉，但这会导致图像传感器难以准确捕捉实际图像。
为防止场景内的明亮区域过度饱和，系统通常需要借助短曝光成像，而短曝光又会导致LED脉冲丢失。这就是为什么有时图像中的LED呈现关闭状态，如图1中的左侧图片所示。 在视频场景中，LED灯看起来在不断地亮起和熄灭，这种现象称为LED闪烁。LED广泛用于现代车辆照明和数字标牌，如果拍摄的视频因为LED闪烁而出现不同的条纹或分段伪影，则可能会对驾驶员和乘客造成很大的干扰。
图1：LFM采样：30fps、10%占空比、10ms周期(100Hz)
这个问题非同小可，可能会导致驾驶员误判。比如，当驾驶员透过显示屏观察周围情况时，LED 闪烁可能会让显示屏中后方车辆的车灯呈闪烁状态，进而导致驾驶员误认为那是正在执行任务的应急车辆。此外，LED闪烁还可能会干扰用于识别电子限速标志、交通信号灯颜色或刹车灯的算法(如图2所示)，造成某些事关安全的情况无法得到准确判断。车载图像传感器必须能够应对 LED 闪烁等颇具挑战的场景，同时提供超过 140 dB 的高动态范围(HDR)，并能在最高达+125°C结温的高温下正常运行。
本文首先简要介绍车载图像传感器中常用于HDR和LED闪烁消除 (LFM) 的一些光学技术工作原理和相关限制，然后介绍可以克服种种限制，并为多种 LFM 类型提供更佳HDR的新型传感器。
图2：LED尾灯闪烁
一、传统多重曝光HDR
使用HDR捕捉场景时，通常需要拍摄多张图像，每张图像都具有不同的曝光时间设置，然后将这些图像进行处理并合并成一张图像。使用多种曝光设置是为了能从场景的亮区和暗区收集更多可用的图像数据。例如，长曝光时间可在暗区捕获更多的图像信息，而短曝光时间可在亮区捕获更多可用数据。最终处理的图像会从每次曝光中提取相对较好的数据，并将它们合并成HDR图像(见图3顶部的图片)。
传统的多重曝光HDR成像非常适合静态场景，即没有或几乎没有运动物体的场景，但对于现实生活中的动态场景，尤其是应用在高速移动的汽车摄像头上时，由于物体在不同曝光时间内的位置变动，可能会产生明显的运动伪影。这是因为多重曝光是按顺序在不同时间点进行的，这种时间上的延迟导致HDR后期处理生成的最终图像中，物体可能会出现扭曲和颜色伪影，从而影响图像的整体质量。
二、大小像素同时曝光
大小像素(Split−Pixel)传感器技术用于帮助汽车应用捕获HDR图像，能够同时捕获多重曝光，而无需按照顺序，因此可以减少由物体运动导致的模糊和颜色伪影。为了生成HDR图像，该技术先使用较大和较小的子像素捕获原始图像，然后将这些子像素合并到 HDR 输出中(见图3中间的图片)。
较大的子像素用于捕获图像的较暗部分，较小的子像素则负责捕获中等亮度及较亮部分，从而进一步扩展动态范围。较大子像素会收集更多的光线，因此在更亮的条件下会饱和。相反，较小子像素收集的光线较少，所以能够曝光更长时间而不会轻易饱和。较大、较小的子像素分别在低光和明亮条件下发挥作用，两者结合起来便可以扩展动态范围。像素感光区域的相对大小(填充因数)对于图像质量影响很大。
大小像素也并非完美，在微光条件下，大部分像素面积被较小的子像素所占据，这导致了可用于捕捉图像的像素面积减少。较小子像素的可用面积非常小，因此产生的信号强度要弱得多，相应地信噪比也更低。若使用较小子像素和较大子像素来处理相同的场景，二者所输出图像也会有所不同。
此外，来自透镜的光线入射角与阵列中两种不同大小的像素以不同方式相互作用，可能会导致出现明显的颜色伪影和偏移。为了消除这些伪影，我们还需要专门校准传感器，并对传感器进行精细的内部校正，因此大小像素传感器的功耗通常较高。而且，环境温度超过+100°C(甚至+80°C)时，基于这种技术的图像传感器的性能可能会下降，信噪比转换甚至还会远低于25 dB。
三、超曝光像素
安森美开发的图像传感器具有一系列强大功能，可满足感知类和视觉摄像头应用的需求。一方面，这些图像传感器提供能够捕获120 dB HDR图像并实现LED闪烁消除的工作模式，非常适合环视和电子后视镜应用。另一方面，经典的多重曝光操作将总动态范围扩展至 140 dB 以上，甚至可以应对前向和环绕感知中更具挑战的场景。
这些传感器还有第三种脉冲 LFM 模式，可应对前灯闪烁且亮度过高等极端情况。在所有情况下，这些传感器的信噪比(SNR)转换均保持在30 dB以上，即使在高达 +125°C 结温下也是如此。这些图像传感器能够满足 ADAS 安全系统和自动驾驶系统设计对于高性能的需求，就比如在烈日当空的炎炎酷暑中，紧凑封装的前置摄像头可能温度非常高，而其内部的传感器仍然能够可靠运作。
图3：不同曝光技术
安森美的新款车载HDR图像传感器采用了超曝光技术，可在整个汽车应用温度范围内高效实施一系列操作，包括：
1、150 dB HDR LFM超曝光；
2、脉冲LED闪烁消除(pLFM)；
3、多重曝光140 dB以上的HDR图像捕捉。
这些模式涵盖了所有典型的汽车应用场景，可以有效减轻LED和其他灯光的闪烁影响。图像传感器的 HDR 性能结合高转换增益 (HCG) 信号读出，能够提供媲美电影的图像质量，在超低到超高光照水平范围内保持出色的像素线性度，实现清晰、高色彩保真度的画面捕捉效果。
有些传感器提供一种额外的工作模式，与由单个微镜头覆盖的两个光电二极管(PD)相结合，可实现近距离提取，并使用像素内相位检测获得彩色图像。在室温下对四次曝光HDR模式进行表征后发现，其动态范围为140 dB，所有总信噪比转换等于或高于30 dB，第一次T1曝光读出使用HCG。
图4：室温下四次曝光140 dB动态范围总信噪比
与传统的多重曝光图像传感器相比，这些超曝光HDR LFM图像传感器可以更好地捕捉明亮的LED闪烁，并消除运动伪影，如图5所示。
图5：比较多重曝光 HDR(上面三张图片)和LFM HDR(下面三张图片)在LED闪烁情况下的图像捕捉结果
四、性能优异
超曝光像素HDR图像传感器能够在整个汽车应用温度范围内，提供更出色的HDR和优异的LFM，适合在要求苛刻的照明和温度环境下运行的安全应用及其他应用。我们的第二代超曝光技术基于相同的架构原理，可实现尺寸更小、性能更佳的HDR LFM像素。
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