传感器 | 车载摄像头选择指南

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车载摄像头的种类繁多，按照用途可分为：前视测距、环视360度、后视倒车影像、舱内监控等（见前文《L2-L4自动驾驶视觉方案推荐（一）》）。不同规格的摄像头在镜头、像素、信噪比等参数上有很大差异。这些差异主要是由几大核心器件：镜头、传感器、ISP、串行器等决定的，因此要知道如何选择摄像头，首先必须了解摄像头的核心器件。



图1：车载摄像头（侧后方视角）

车载摄像头的核心器件

车载摄像头的工作原理和传统摄像头是类似的，通过镜头汇聚光线到图像传感器表面，图像传感器通过光电转换，产生电信号，再通过采样系统，生成数字信号后，最后发送到主机（电脑或中央控制器）上。



图2：车载摄像头的核心器件

图2展示了摄像头的核心器件组成，其中最外侧是镜头（Lens），作用是汇聚光线。镜头的光圈决定了进光量的大小，FOV（Field-of-View）决定了视野范围的宽度。图像传感器（Sensor）负责将光子转化为电信号，Sensor上的像素数量越多，清晰度就越高；像素的尺寸越大，感光能力就越好。ISP负责控制成像质量，调整白平衡、曝光时间等参数。串行器（Serializer）负责将原始数据调制为高速串行信号，通过LVDS同轴线传出。以下我们逐个分析这些核心器件的参数和性能。

镜头（Lens）

光学玻璃

镜头一般是由多个镜片构成，镜片的材料是光学玻璃或塑胶。光学玻璃与常规玻璃不同，是利用石英玻璃、蓝宝石玻璃等材料加工而成的，这类玻璃具有晶体结构，而常规玻璃通常是非晶体无机材料。光学玻璃在折射性能、温度特性和耐久性上有很大的优势，因此高端相机都会使用光学玻璃作为镜头。



图3：玻璃镜头

手机摄像头通常会使用塑胶材料（例如PMMA）作为镜片，因为塑胶材料可以用注塑的方式一体成型，易于批量生产，价格低廉。相比光学玻璃，塑胶在光学性能上略逊一筹，温度特性和耐久性都不如光学玻璃好。

大多数镜头都会采用多片镜片组（通常2-6片）的方式来设计，有的是全玻璃镜头，即所有的镜片都是玻璃材料；有的是玻塑混合镜头，也就是部分镜片是玻璃材料，部分镜片是塑胶材料。

镜片还分为球面和非球面，通常球面镜片的设计和制作都较为简单，但光学性能不好，非球面的制作工艺复杂，对精度要求很高，成像效果较好。

使用非球面镜片可以减少镜片的数量，提高成像质量。特别是在FOV较大的情况，例如鱼眼镜头，最外侧的镜片通常用非球面镜片（图4）。车载摄像头需要较高的成像质量、较好的温度特性（高低温）以及耐久性，因此往往会使用5-6片全玻璃非球面镜片。



图4：鱼眼镜头设计

光圈和视场角

衡量镜头性能的一个重要指标是光圈。光圈的定义是镜头的焦距除以直径(F=f/D，D为镜头直径，f为镜头焦距)。例如f/2.8（这里的f不再代表焦距）的光圈，意思是焦距/直径=2.8。光圈的数值越小，意味着镜头的开口越大，进光量就越多。例如f/1.4的光圈，进光量就大于f/2.8的光圈。



图5：光圈定义

那么我们能否无限地提高直径/焦距的比例，让镜头的进光量尽可能多呢？从理论上可以设计出很高比例的镜头，但是通常需要用许多复杂的非球面镜片来实现，在实际生产过程中，非球面镜片是很难保证加工精度和良率的，因此常见的车载镜头光圈值一般会在f/1.5左右。



图6：光圈值和进光量的关系

镜头的另一个指标是视场角（FOV），也就是镜头能看到的视野范围。焦距越小，视场角就越大。FOV小的镜头，一般用来观察远处，例如前视测距通常使用FOV 30°/60°的镜头，FOV大的镜头可用来观察近处，两者形成有效互补。



图7：不同FOV的镜头在自动驾驶车上的应用案例

防护等级

车载摄像头需要有较高的防护等级。防护等级是根据国际通用的标准IEC60529-2001制定的，通常以IP+XY表示，XY越大的数字表示防护等级越高。例如IP69K的防护等级，要求摄像头能需要耐受高压水枪冲击，在高温蒸汽下不会起雾等等。这些防护等级的要求，对镜头以及整体的摄像头模组设计提出了更高的要求。

例如为了保证整体的密封性，镜片与镜座之间的配合必须要考虑热胀冷缩引起的形变，否则在高温下很容易变形，破坏密封性。又如为了让镜头表面不会起雾或沾水，需要在最外层镜片镀上防水膜，使水滴可以自然掉落。

表1总结了车载摄像头和手机摄像头在镜头方面的主要参数差异。

	车载摄像头	手机摄像头
镜片数量	5-6片	2-4片
镜片材料	全玻璃 （石英玻璃/蓝宝石玻璃）	玻璃/塑胶混合 （PMMA塑胶）
是否球面	通常非球面	球面/非球面混合
耐磨性	好	一般
光圈	大（Typ. f/1.5）	小（Typ. f/2.4）
FOV	Typ. 30° - 180°	Typ. 60° - 150°
防护等级	IP69K	IP54或以下

表1：车载摄像头与手机摄像头的镜头主要参数差异

图像传感器

摄像头的图像传感器通常有CMOS和CCD两种。除了特殊领域（工业相机）之外，大多数的摄像头都使用CMOS传感器，因为CMOS的制作工艺相对成熟，成本较低。关于图像传感器，之前的几篇文章都做了详细的说明（《CMOS图像传感器的参数和评价标准》）。

CMOS图像传感器的几个比较重要的参数包括：靶面大小、像素数量、像素尺寸等。一般来说，手机等消费电子品，为了更高清的图像，通常选择较高的像素数量，例如1亿像素（12032 x 9024），但是像素尺寸较小，例如0.7μm。而车载应用上，为了有更高的动态范围和更好的暗光性能，通常会选用像素尺寸更大的，例如3μm的CMOS传感器，但是像素的数量更少，例如8百万像素（3840 x 2160）。

感光能力

除了这些特征之外，灵敏度、信噪比和动态范围也是图像传感器的选择依据。如前文《详解图像传感器的测试标准EMVA1288》所述，越高的信噪比，图像的对比度就越高，对细节的呈现就越详细，更有利于算法进行识别。

灵敏度是衡量图像传感器在暗光下的表现，由于车载摄像头在夜晚（光照强度在0.1 - 1lux）也要正常工作，因此必须要有较高的灵敏度。另外，红外感光能力也决定了夜视的性能，车载摄像头往往能感应红外（IR）波段的光线，增强夜视的效果。



图8：高灵敏度摄像头（右）暗光下的图片对比普通摄像头（左）

另外，为了适应一些极端的应用场景（例如隧道内行车），车载摄像头对动态范围的要求也很高，一般的手机摄像头动态范围在60dB左右，工业相机的动态范围为90dB，而车载摄像头需要达到120dB以上。为了达到如此高的动态范围，需要使用HDR（High Dynamic Range）模式。HDR的工作原理是多次曝光，叠加为一张图片输出，例如一长一短两帧曝光，合成一帧。



图9：普通摄像头（左）和高动态范围（右）的对比

	车载摄像头	手机摄像头	工业相机
靶面尺寸	大 （typ.1/2’’）	小 （typ.1/4’’）	中 （typ. 1/2.5’’）
像素数量	较少 Typ. 1MP – 8MP	多 Typ. 10MP – 100MP	少 Typ. 0.5MP – 5MP
像素尺寸	较大 Typ. 2μm – 3μm	小 Typ. 0.7μm – 1.3μm	大 Typ. 3μm – 6μm
响应波长	RGB+IR 彩色+红外	RGB 彩色	Mono+IR 灰度+红外
感光能力	较强 Typ. 0.1lux	一般 Typ. 10lux	强 Typ. 0.01lux
动态范围	高 Typ. 120dB w/HDR	低 Typ. 60dB	中 Typ. 90dB

表2 车载摄像头、手机摄像头和工业相机的图像传感器主要参数对比

车规要求

汽车电子元件需要在严苛的压力及动态环境下工作，消费者通常希望他们的汽车可以使用 10 年以上。这意味着关键的电气部件必须维持功能正常，以降低事故发生及减少维修成本。

因此汽车电子委员会AEC（Automotive Electronics Council）制定了针对汽车行业零部件的标准AEC-Q100。电子元件的AEC认证，主要针对其可靠性及使用寿命。例如工作温度需达到-40℃到105℃，工作年限必须达到10年以上等。

除此之外，车载摄像头还必须满足ISO 26262 标准，即针对道路车辆的功能安全的风险分类系统ASIL（Automotive Safety Integration Level）的要求。通常车载摄像头的图像传感器需要具有ASIL-B/D级别的芯片。

	车规级	消费级（手机）
工作温度	-40℃ - 105℃	0℃ - 65℃
工作年限	10年以上	2 – 3年
失效率	0	万分之三
供应链生命周期	15 – 20年	2 – 3年
AEC-Q100	Grade 2	无要求
ASIL等级	B/D	无要求

表3 车规级和消费级的要求差异

数据传输

传统传输方式

传统摄像头的数字信号一般通过USB或网线传输到主机。例如安防类的摄像头，一般通过网线连接到中央控制器，因为网线可以方便地实现多路并网（每路只需要分配一个IP地址即可），但缺点是容易丢帧（网络丢包），而且带宽不高，例如千兆网线的带宽在100-1000Mbps。有些安防摄像头也是用HD-TVI的传输方式，该方式的稳定性比网线高，但受制于模拟信号的抗干扰性，其带宽也不能达到很高（100Mbps），因此无法传输较高分辨率的图像。

USB摄像头大多数使用USB2.0协议，传输带宽在480Mbps，直接通过USB数据线连接到电脑，其优点是即插即用，无需复杂的驱动，但缺点是连接不稳定，容易断开，传输带宽也比较低。

手机类的摄像头，通常使用mipi传输。mipi是一种高速的并行信号，其优点是支持高带宽数据传输（例如4.8Gbps），缺点是信号容易受到干扰，传输距离不长。

LVDS同轴线

车载摄像头通常需要传输原始图像数据（无压缩），例如8百万像素30fps的原始数据，数据量可高达3840[pix]*2160[pix]*30fps*16[bits]=3.7Gbps，远超过USB、千兆网线的传输带宽。同时，车载数据要求有高稳定性（不丢帧）、又要保证能长距离传输（10-20m），因此需要用LVDS高速同轴线来传输。

LVDS是低电压差分信号，是一种低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的差分信号技术。调制和解调LVDS信号，需要复杂的电路设计。为了简化，人们把调制和解调的电路设计成了集成化的芯片，实现了这个功能。

应用场景	传输方式	带宽	稳定性	传输距离
USB摄像头	USB2.0	480Mbps	低	中等（1 – 3m）
安防摄像头	网线	1000Mbps	中	长（10 - 100m）
监控摄像头	HDTVI	100Mbps	高	长（10 - 100m）
手机摄像头	mipi	4.8Gbps	高	短（<20cm）
车载摄像头	LVDS同轴线	6Gbps	高	较长（10 - 20m）

表4 几种数据传输方式的带宽和优缺点

在车载领域，使用得最为广泛的是LVDS信号调制方案是来自德州仪器（Texas Instrument, TI）的FPD-LINK技术和美信（Maxim）的GMSL（Gigabit Multimedia Serial Links）技术。他们的技术原理都是相同的，发射端通过一个叫做串行器（Serdes）的芯片，将mipi并行信号调制为串行差分信号，通过同轴线发出。在接收端，有一个叫做解串器（De-Serdes）的芯片，将差分信号还原为的并行信号（mipi）。这种同轴线需要一种特殊的接口，称为Fakra，外观上易于区分，如图10所示。



图10：带Fakra同轴线的车载摄像头

总结

在表5中，我们总结了车载摄像头的一些核心参数，读者在选择的时候，可以参考这些参数的指标，依据实际的应用和需求来选择。

核心器件	参数名称	参数范围	说明
镜头	光圈	f/1.4 – f/1.8	数值越小，表示进光量越大
	FOV	30° - 190°	视野范围越小，探测距离越远
	镜片	全玻璃、非球面
	防护等级	IP69K	越高的数字表示防护等级越高
图像传感器	靶面尺寸	1/1.7’’ – 1/3’’
	像素数量	1MP – 8MP	MP=百万像素
	像素尺寸	2μm – 3μm	越大的像素尺寸，感光能力越强
	动态范围	>120dB	适应白天/夜间各种场景
	工作温度	-40℃ - 105℃	满足大多数汽车使用场景
	车规要求	AEC-Q100 Grade 2
	功能安全	ASIL-B/D
传输方式	传输方式	LVDS同轴线	带Fakra接口
	传输带宽	最高6Gbps	可传输无损原始数据（无压缩）
	传输距离	10 - 20m	适应大多数汽车的尺寸

表5 车载摄像头的一些关键参数指标


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