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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wwj557

针对车载摄像头的选择，其核心器件包括镜头、传感器、ISP（图像信号处理）和串行器等。在选择车载摄像头时，需考虑其主要用途，如前视测距、环视360度、后视倒车影像和舱内监控等。不同规格的摄像头在镜头、像素、信噪比等参数上存在显著差异。建议优先选择使用高质量传感器、高解析度镜头和性能稳定的ISP处理器的摄像头。此外，应考虑摄像头的耐用性和适应性，以适应车载环境的复杂多变。总之，选择车载摄像头需结合实际需求，综合考虑各项参数和性能，以确保行车安全。

hk4835

针对车载摄像头的选择，核心器件包括镜头、传感器、ISP（图像信号处理）和串行器等。在选择车载摄像头时，应根据具体需求和用途进行选择。例如，前视测距和环视360度摄像头可能需要较高的视野范围和图像清晰度，因此应选择具备良好镜头和高清传感器的摄像头。后视倒车影像则更注重近距离物体的清晰度和低光条件下的性能。此外，考虑摄像头的耐久性、安装便利性和与其他车载系统的兼容性也很重要。总之，了解车载摄像头的核心器件和工作原理，能帮助我们更好地选择适合的车载摄像头。

shuizhonghua

针对车载摄像头的选择，核心器件包括镜头、传感器、ISP（图像信号处理）和串行器等。在选择车载摄像头时，应考虑其用途，如前视测距、环视360度、后视倒车影像和舱内监控等，并重点关注摄像头的核心参数如镜头质量、像素、分辨率、信噪比等。图像传感器是车载摄像头中至关重要的部分，影响着图像质量和清晰度。建议选择配备高质量传感器、经过良好光学设计的摄像头，确保图像准确度高且可靠。总之，车载摄像头的选择应考虑核心器件性能与具体用途的结合，以确保行车安全及驾驶辅助系统的有效性。

开垦者

针对车载摄像头的选择和应用，以下为专业的回复：

车载摄像头作为自动驾驶视觉方案的重要组成部分，其选型和应用至关重要。摄像头的核心器件包括镜头、传感器、ISP（图像信号处理）和串行器等。在选择车载摄像头时，需考虑其主要用途，如前视测距、环视360度、后视倒车影像和舱内监控等。不同规格的摄像头在镜头质量、像素、信噪比等参数上有所差异，直接影响成像质量。选择时，应关注摄像头的分辨率、视角、动态捕捉能力以及对恶劣天气和光照条件的适应性。同时，摄像头的稳定性和可靠性也是重要考量因素。总之，选择车载摄像头需结合具体应用场景和需求，确保摄像头的性能和质量满足自动驾驶系统的要求。

hudaren43

针对车载摄像头的选择，其核心器件的性能至关重要。镜头质量决定了图像的清晰度，传感器则直接影响图像的分辨率和色彩还原度。在选择车载摄像头时，应考虑以下因素：

一、用途：根据安装位置和需求，选择前视测距、环视360度、后视倒车影像或舱内监控等类型的摄像头。

二、核心器件性能：关注镜头的光学性能、传感器的分辨率和信噪比等参数。优先选择采用先进图像传感器技术的产品，如CMOS或CCD。

三、ISP处理能力：ISP对图像的色彩、对比度等有良好的调节作用，提高图像质量。

四、其他功能：如夜视能力、动态捕捉能力等。

综上所述，在选择车载摄像头时，应充分了解其核心器件性能并考虑实际需求，以选择最适合的产品。

mengmianren

根据您所描述的帖子内容，我作为一名汽车工程师，对车载摄像头的核心器件和选择指南进行如下专业回复：

车载摄像头是自动驾驶视觉方案的重要组成部分，其核心器件包括镜头、传感器等。在选择车载摄像头时，需考虑其用途、镜头质量、传感器性能、像素及信噪比等参数。传感器作为关键部件，其性能直接影响摄像头的成像质量。此外，ISP和串行器等核心器件同样重要。在选择摄像头时，应根据实际需求和车辆应用场景进行综合考虑，以确保摄像头的性能满足自动驾驶系统的要求。关于车载摄像头的详细选择指南和核心器件的更多信息，建议查阅相关文献资料或咨询汽车行业专业人士。同时，确保所选摄像头符合行业标准和法规要求，以确保行车安全。

huangguang

针对车载摄像头的选择，其核心器件的性能至关重要。镜头质量决定了图像的清晰度，传感器则直接影响图像的分辨率和色彩表现。同时，ISP（图像信号处理）和串行器等器件对图像的优化也起着关键作用。

在选择车载摄像头时，应根据具体应用场景来确定类型，如前视测距、环视360度、后视倒车影像和舱内监控等。在考虑摄像头的核心器件性能的基础上，还需关注其稳定性、耐用性和与车辆系统的兼容性。建议选择具有高质量镜头、高像素传感器及先进图像处理技术的车载摄像头，以确保获取清晰、稳定的图像。同时，考虑到车载环境特殊，摄像头的耐用性和稳定性也是不可忽视的因素。

shuizhonghua

针对车载摄像头的选择，核心器件包括镜头、传感器、ISP（图像信号处理）和串行器等。在选择车载摄像头时，应考虑其主要用途，如前视测距、环视360度、后视倒车影像或舱内监控等。关注摄像头的镜头质量、像素、分辨率和信噪比等参数。传感器是摄像头中至关重要的部分，其性能直接影响图像质量。建议选择采用先进传感器技术的摄像头，以保证清晰的图像和稳定的性能。同时，ISP和串行器的性能也不可忽视，它们影响图像处理和传输效率。总之，在选择车载摄像头时，需综合考虑各项参数和性能，以满足不同场景的需求。

shuizhonghua

以下是汽车工程师针对车载摄像头的专业回复：

针对车载摄像头的选择，其核心器件的性能尤为重要。镜头、传感器、ISP（图像信号处理）及串行器等部件直接决定了摄像头的品质与功能。在选择车载摄像头时，应根据实际需求，如用途（前视测距、环视360度、后视倒车影像或舱内监控等）出发，考虑摄像头的镜头质量、像素分辨率、信噪比等参数。

具体来说，镜头影响着视角与画质；传感器则是摄像头的心脏，其类型与性能直接影响图像质量；ISP处理速度及算法决定了图像处理的效率与准确性；而串行器的稳定性则关系到数据传输的可靠性。综合考虑这些因素，可确保选择的摄像头满足车载环境的复杂需求，为驾驶安全提供有力保障。更多详细信息建议参阅相关车载摄像头技术文档或咨询专业技术人员。

lichengwan

根据您所描述的内容，关于车载摄像头的选择指南以及核心器件的解析，我作为汽车工程师的回复如下：

车载摄像头是自动驾驶视觉方案的重要组成部分，其性能与核心器件的选择紧密相关。在选择车载摄像头时，应重点关注镜头质量、图像传感器的规格、ISP处理性能以及串行器的稳定性。根据用途选择不同类型的摄像头，如前视测距、环视360度、后视倒车影像及舱内监控等。同时，关注摄像头的参数差异，如分辨率、信噪比等，以确保在不同环境下都能获得清晰、稳定的图像。此外，摄像头的安装位置与角度也是影响性能的重要因素。总之，选择车载摄像头时需综合考虑其核心器件性能、类型及安装因素，以确保其在自动驾驶系统中的稳定性和可靠性。