Cámara de automóvil: el ojo de la conducción autónoma
Las cámaras montadas en automóviles son conocidas como los "ojos de la conducción autónoma" y son el equipo de detección central en el sistema ADAS y el campo de la conducción autónoma automotriz.La función principal de recoger información de imagen es a través de las lentes y sensores de imagen, que puede lograr una percepción visual de 360 ° y compensar las deficiencias del radar en el reconocimiento de objetos.
Las cámaras montadas en automóviles se utilizan ampliamente en el campo de la automoción, extendiéndose gradualmente desde el uso inicial para grabar la conducción, la imagen inversa,y vista envolvente de estacionamiento para el reconocimiento inteligente del comportamiento de la cabina y la conducción asistida por ADAS, con escenarios de aplicación cada vez más diversos.
El CR3 actual de la industria mundial de cámaras de automóviles es del 41%, con las diez principales empresas que ocupan el 96% de la cuota de mercado.
El Instituto de Datos de Pérdidas en las Carreteras (HLDI, por sus siglas en inglés) predice que para 2030, casi el 50% de los automóviles estarán equipados con tecnología ADAS.
Según ICVTank, se espera que la escala de la industria de cámaras de automóviles de China alcance los 23 mil millones para 2025, con un CAGR del 30% en los próximos cinco años;Se espera que el mercado mundial de cámaras de automóviles crezca de $ 11.2 mil millones en 2019 a $27 mil millones en 2025, con un CAGR de 5 años del 15.8%.
La conducción automática incluye la percepción, el juicio y la ejecución, y la percepción es la fuente de todo el proceso y un módulo importante del sistema de conducción automática.Durante la conducción del vehículo, el sistema de percepción recogerá la información del entorno en tiempo real a través de sensores, lo que equivale a los "ojos" de un vehículo autónomo,y puede ayudar al vehículo a lograr la capacidad de observación similar a la de un conductor humano.
En los vehículos autónomos, el sistema de percepción se compone principalmente de sensores como cámaras, radares de ondas milimétricas y LiDAR (opcional, principalmente por miedo a distraerse).Como el principal sensor de percepción del entorno, la cámara desempeña un papel muy importante en la obtención de una percepción visual integral de 360 °, compensando las deficiencias del radar en el reconocimiento de objetos,y es el sensor más cercano a la visión humanaPor lo tanto, las cámaras en los coches son uno de los dispositivos clave en el campo de la conducción autónoma.
¿Qué es una cámara en el coche?
La estructura de hardware principal de las cámaras montadas en automóviles incluye lentes ópticas (incluidas lentes ópticas, filtros, películas de protección, etc.), sensores de imagen, procesadores de señal de imagen (ISP), serializadores,ConectoresEl diagrama esquemático de su estructura se muestra en la figura:
Anatomía del módulo de cámara montado en el automóvil
La imagen anterior muestra la anatomía de los módulos de cámara comúnmente utilizados en los automóviles.hay en realidad un diseño relativamente simple de varias capas en el medio, generalmente incluyendo la placa del sensor del sensor, la pequeña placa del procesador de imagen y la placa de un serializador.La razón por la que se necesita un serializador es porque generalmente el bus de salida de datos de imagen de los sensores de la cámara o los ISP es estándar, se caracteriza por un recorrido de alta velocidad, pero la distancia del bus de transmisión es corta, de lo contrario no se puede garantizar la integridad de la señal.
Así que en el vehículo, necesitamos convertirlo a los estándares de autobuses de alta velocidad como GMSL que son adecuados para la transmisión a larga distancia en el vehículo,por lo que el módulo de la cámara por lo general se convierte en el bus a través de una placa serieAdemás, los cables coaxiles pueden utilizarse para suministrar energía a los módulos y transmitir datos de imagen.
Lente óptica: responsable de enfocar la luz y proyectar objetos en el campo de visión sobre la superficie del medio de imagen.pueden requerirse múltiples capas de lentes ópticasLos filtros pueden filtrar bandas de luz que no son visibles para el ojo humano, dejando solo las bandas de luz visibles del paisaje real dentro del campo de visión del ojo humano.
Sensor de imagen: Image sensors can use the photoelectric conversion function of photoelectric devices to convert the light image on the photosensitive surface into an electrical signal that is proportional to the light imageSe divide principalmente en dos tipos: CCD y CMOS.
Procesador de señal de imagen ISP: utiliza principalmente la estructura de hardware para preprocesar los datos en formato RAW de la entrada de la fuente de imagen y video por el sensor de imagen, que se pueden convertir en YCbCr y otros formatos.También puede realizar varias tareas como escala de imagen, exposición automática, balance automático de blancos y enfoque automático.
Serializer: Transfiere datos de imagen procesados y se puede utilizar para transferir varios tipos de datos de imagen como RGB y YUV.
Conector: se utiliza para conectar una cámara fija.
Las cámaras montadas en automóviles también tienen procesos de fabricación y requisitos de fiabilidad más altos que las cámaras industriales y comerciales.Debido al hecho de que los coches necesitan trabajar en ambientes duros durante mucho tiempoLas cámaras montadas en automóviles deben funcionar de forma estable en condiciones de trabajo complejas como temperaturas altas y bajas, vibraciones fuertes y alta humedad y calor.Los principales requisitos para la fabricación de procesos son los siguientes::
Requisitos de proceso para las cámaras montadas en automóviles
Resistencia a altas temperaturas: la cámara montada en el vehículo debe poder funcionar normalmente en el rango de -40 °C a 85 °C y adaptarse a cambios drásticos de temperatura.
Resistencia sísmica: los vehículos pueden generar vibraciones fuertes cuando se conducen en carreteras irregulares, por lo que la cámara de a bordo debe ser capaz de soportar varias intensidades de vibraciones;
Antimagnético: cuando el vehículo arranca, generará pulsos electromagnéticos extremadamente altos, lo que requiere un antimagnético extremadamente altoel rendimiento;
A prueba de agua: la cámara debe estar bien sellada para garantizar un uso normal incluso después de haber estado empapada en agua de lluvia durante varios días;
Vida útil: la vida útil debe ser de al menos 8 a 10 años para cumplir los requisitos.
Ángulo ultraancho: la cámara de visión lateral envolvente debe ser de ángulo ultraancho, con un ángulo de visión horizontal de 135 °;
Alta dinámica: el vehículo viaja a gran velocidad, y el entorno de iluminación al que se enfrenta la cámara cambia dramáticamente y con frecuencia,que requiere que el CMOS de la cámara tenga altas características dinámicas;
Bajo ruido: puede suprimir eficazmente el ruido en condiciones de poca luz, especialmente al requerir cámaras laterales y de visión trasera para capturar imágenes claramente incluso de noche.
Parámetros clave de la cabeza de la cámara frontal inteligente del vehículo
Distancia de detección
Ángulo del campo de visión horizontal
Ángulo vertical del campo de visión
Resolución - Cuando la cámara captura rayas blancas y negras espaciadas uniformemente, el número máximo de líneas que se pueden ver en el monitor (mayor que la resolución de la cámara).Cuando el número de líneas exceda este, sólo se puede ver una zona gris en la pantalla, y las rayas blancas y negras ya no se pueden distinguir.
Iluminación mínima - se refiere a la sensibilidad del sensor de imagen a la luz ambiente, o a la luz más oscura requerida para la obtención normal de imágenes por el sensor de imagen. It is the illuminance value of the scene when the video signal level of the camera is lower than half of the maximum amplitude of the standard signal when the illumination of the subject gradually decreases.
Relación señal/ruido: relación entre la tensión de la señal de salida y la tensión de ruido de salida simultáneamente.
Rango dinámico - Rango dentro del cual los valores de brillo de los objetos más brillantes y oscuros dentro del mismo cuadro capturado por la cámara pueden mostrar detalles normalmente.Cuanto mayor sea el rango dinámico, mayor es el grado en que los objetos demasiado brillantes o demasiado oscuros pueden mostrarse normalmente en la misma pantalla.
¿Cuáles son las ventajas en comparación con la tecnología de radar
1) En comparación con el radar de ondas milimétricas, las principales ventajas de las cámaras actuales son:
Reconocimiento y clasificación de objetivos - Actualmente, el radar de onda milimétrica 3D ordinario sólo puede detectar si hay obstáculos por delante,y no puede identificar con precisión el tamaño y la categoría de obstáculosPor ejemplo, varios tipos de reconocimiento de carril, reconocimiento de semáforos y reconocimiento de señales de tráfico.
Detección de espacios transitables, división de los límites seguros (zonas conducibles) del movimiento del vehículo, principalmente la división de vehículos, bordes ordinarios de la carretera, bordes de acera,límites visibles sin obstáculos, y fronteras desconocidas;
Capacidad para detectar objetivos en movimiento horizontal, como detectar y rastrear peatones y vehículos que cruzan intersecciones;
El posicionamiento y la creación de mapas - es decir, la tecnología. Aunque el radar de onda milimétrica se utiliza actualmente, la tecnología es más madura y tiene más perspectivas de aplicación;
2) En el sistema de conducción automática, el radar láser es similar a la cámara, pero sus ventajas son:
Reconocimiento de semáforos y reconocimiento de señales de tráfico
Ventaja de coste y alta madurez de los algoritmos y tecnologías
Alta tasa de reconocimiento de objetos
En la actualidad, las cámaras montadas en automóviles se dividen principalmente en cinco categorías en función de su ubicación de instalación: cámaras de vista frontal, cámaras de vista envolvente, cámaras de vista trasera, cámaras de vista lateral,y cámaras integradas.
Cámara de visión delantera: principalmente instalada en el parabrisas delantero para lograr funciones de percepción visual y reconocimiento durante la conducción. Puede dividirse en cámara principal de visión delantera,cámara de ángulo estrecho de vista frontal, y cámara de vista frontal gran angular según sus funciones.
Cámara principal orientada al frente: Esta cámara se utiliza como cámara principal en el sistema ADAS de L2. Los ángulos de visión del campo son generalmente de 30 °, 50 °, 60 °, 100 ° y 120 °,y la distancia de detección es generalmente de 150-170 metrosEl formato de salida de la cámara.
Cámara de gran angular orientada hacia adelante: La función principal de esta cámara es reconocer objetos que están cerca a distancia, principalmente utilizados en condiciones de carretera urbana, conducción a baja velocidad y otras escenas.Su ángulo de campo de visión está entre 120 ° -150 °Después de la instalación a gran escala de la lente de 8MP en vehículos posteriores, esta cámara no es necesaria.
Cámara de ángulo estrecho de vista frontal: La función principal de esta cámara es reconocer objetivos como semáforos y peatones.y lentes alrededor de 30-40 ° se puede seleccionarLa cámara adopta un ángulo estrecho, tiene una mayor densidad de píxeles y una distancia de detección más larga.y generalmente puede detectar hasta 250 metros o incluso distancias más largas.
Después de instalar una cámara de 8MP, el FOV de la cámara principal frontal puede alcanzar los 120 °, lo que puede no ser necesario.
cámara de contorno: principalmente instalada alrededor del cuerpo del vehículo, usualmente con 4-8 cámaras, que se pueden dividir en cámara de ojo de pez orientada hacia adelante, cámara de ojo de pez orientada a la izquierda, cámara de ojo de pez orientada a la derecha,y cámara de ojo de pez orientada hacia atrás. Se utiliza para mostrar la función de vista panorámica panorámica, así como la percepción visual y la detección de objetos que integran la función de estacionamiento;La matriz de color comúnmente utilizada es porque hay una necesidad de restauración de color.
Cámara de visión trasera: generalmente instalada en el maletero, principalmente para asistencia de estacionamiento.
Cámara de visión frontal lateral: instalada en el pilar B o en el espejo retrovisor del vehículo, el ángulo de visión de esta cámara es generalmente de 90 ° -100 ° y la distancia de detección es de unos 80 metros.La función principal de esta cámara es detectar vehículos laterales y bicicletas..
Cámara de visión lateral y trasera: generalmente instalada en el guardabarros delantero del vehículo, el ángulo de campo de visión de esta cámara es generalmente de alrededor de 90 °, y la distancia de detección también es de aproximadamente 80 metros.Se utiliza principalmente para aplicaciones de escena como el cambio de carril de vehículos y la fusión con otras carreteras..
Instalado en la cámara: se utiliza principalmente para controlar el estado del conductor y lograr recordatorios de fatiga y otras funciones.
Entre ellos, el precio de las cámaras de vista frontal es relativamente alto, y el precio actual del mercado está entre 300 y 500 yuanes; Los precios de otras cámaras están alrededor de 150-200 yuanes.
Desde el plan, podemos ver que las 8 cámaras están relacionadas con el sistema de conducción, que está estrechamente relacionado con el plan de conducción autónoma pura que se ha promovido sin depender de LiDAR.La mayor ventaja de este plan es su alta rentabilidadMediante el uso de una cámara muy barata desarrollada por el propio fabricante, se logró un nivel de conducción autónoma.
La mayor ventaja de esta solución, que utiliza múltiples cámaras, es su gran escalabilidad.su función de conducción autónoma tiene una muy buena compatibilidad y escalabilidad.
A través de este modelo de sensores, se ha logrado un nivel de función de conducción autónoma con una buena experiencia.incluida la muy distintiva función de conducción autónoma de navegación a alta velocidad (NGP) y de estacionamiento con memoria de estacionamiento.
La Clase S es un representante de las soluciones OEM tradicionales, y la solución de cámara estéreo binocular es la mayor ventaja de la Clase S de Mercedes Benz.Las cámaras binoculares pueden calcular el movimiento del objetivo detectado en el XLas coordenadas, Y y Z, determinan la postura y el tipo del objetivo detectado, y el efecto de experiencia de la función ADAS de Mercedes Benz en el nivel L2 también es mejor que las otras dos.
En el análisis de las soluciones de cámaras para modelos de automóviles producidos en serie, encontramos que todos usan cámaras de píxeles medios a bajos para lograr funciones de conducción autónoma.
Saitemei Security Electronics Co., Ltd. Cadena de la industria de las cámaras de automóviles
La cadena de la industria de las cámaras de automóviles incluye principalmente tres eslabones principales: materiales de vanguardia, componentes intermedios y productos posteriores.
Los materiales anteriores, como lentes ópticas, filtros y películas protectoras, se utilizan para fabricar conjuntos de lentes, mientras que las obleas se utilizan para fabricar chips CMOS y procesadores de señal DSP.Montar el conjunto de lentes de media corriente, chips CMOS y materiales adhesivos en módulos, y empaquetarlos con procesadores de señal DSP en productos de cámara.
En este nivel de la cadena industrial, los proveedores anteriores ya pueden suministrar productos completos de cámaras a los clientes posteriores de vehículos o proveedores de primer nivel.las cámaras y los algoritmos de software juntos constituyen una solución de cámara de coche, que se aplica a los vehículos autónomos.
En la actualidad, las empresas con una gran cuota de mercado en el mercado de las cámaras de automóviles son todas proveedoras líderes mundiales de componentes de primer nivel,Los clientes en la línea de producción y en la línea descendente abarcan básicamente a las principales empresas mundiales de vehículos..
CMOS tiene la mayor relación valor/coste en las cámaras de automóviles, alcanzando el 52%; el embalaje del módulo representa el 20% y las lentes ópticas representan el 19%.
El chip CMOS
En comparación con los componentes fotosensibles CCD, CMOS tiene una calidad de imagen ligeramente inferior.pero es de bajo costo y más eficiente energéticamente, por lo que es ampliamente favorecido en el campo de las cámaras de automóviles con bajos requisitos de píxeles.
Estructura básica de los sensores de imagen
El sensor de imagen se divide en un área fotosensible (Firecore), cables de unión, circuito interno y sustrato de la apariencia.El área fotosensible es una matriz de un solo píxel compuesta por múltiples puntos de un solo píxelCuando las señales de luz obtenidas de cada píxel se juntan, forman una imagen completa.
Diagrama de sección del chip CMOS
Debido a los diferentes ángulos de luz que entran en cada píxel, se añade una micro lente en la superficie de cada píxel para corregir el ángulo de luz,que permite que la luz ingrese verticalmente a la superficie del elemento fotosensibleEste es el concepto de un chip, que necesita ser mantenido dentro de un rango de desviación leve de la lente
En términos de arquitectura de circuito, incorporamos un sensor de imagen como una caja oscura que convierte señales de luz en señales eléctricas.datosSe puede entender simplemente como el Firecore que convierte señales de luz en señales eléctricas,que son procesados y codificados por el circuito lógico en la caja oscura, y luego la salida a través de una interfaz de datos.
Debido a que el proceso de diseño de la capa de píxeles en los chips CMOS es similar a los chips analógicos, existen altos requisitos para los procesos de fabricación
Los principales proveedores.
La tecnología de producción y fabricación de CMOS es alta y, desde la perspectiva del mercado mundial, actualmente está ocupada principalmente por empresas financiadas con fondos extranjeros.Desde la perspectiva del panorama competitivo, Saitemei ocupa el primer lugar con una cuota de mercado del 36%, seguida de cerca por la empresa nacional Huoxin Technology con una cuota de mercado del 22%.con una alta concentración industrialLa empresa nacional Saitemei Security Electronics Co., Ltd. se ha convertido en una empresa líder en el campo.
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