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未來(lái)的車(chē)內(nèi)設(shè)計(jì):3D數(shù)據(jù)將大顯身手

發(fā)布時(shí)間:2023-06-26 來(lái)源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】汽車(chē)制造商需要探索新的方法來(lái)讓自己脫穎而出。其中的一項(xiàng)重點(diǎn)就是汽車(chē)內(nèi)部的新功能。現(xiàn)在,全新的車(chē)規(guī)級(jí)3D飛行時(shí)間(ToF)攝像頭幾乎和智能手機(jī)的ToF攝像頭一樣小,這使得它們可以集成到汽車(chē)內(nèi)部,并以合理的成本實(shí)現(xiàn)豐富的車(chē)內(nèi)應(yīng)用,包括無(wú)縫訪問(wèn)私人數(shù)據(jù)和駕駛員監(jiān)控系統(tǒng),以及智能安全氣囊等。


過(guò)去,駕駛性能是決定一款車(chē)型銷(xiāo)量好壞的主要因素。強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)感操控和低油耗是汽車(chē)制造商用來(lái)吸引客戶(hù)的賣(mài)點(diǎn)。但時(shí)代在變化,消費(fèi)者在選購(gòu)新車(chē)時(shí)愈發(fā)關(guān)注類(lèi)似于智能手機(jī)的功能和舒適性。此外,監(jiān)管機(jī)構(gòu)越來(lái)越高的安全性要求,正在驅(qū)動(dòng)汽車(chē)制造商愈發(fā)關(guān)注車(chē)內(nèi)設(shè)計(jì)。


3D數(shù)據(jù)的使用,是實(shí)現(xiàn)未來(lái)車(chē)內(nèi)設(shè)計(jì),并讓汽車(chē)制造商脫穎而出的一大特點(diǎn)。而較為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的3D數(shù)據(jù)采集方法要數(shù)使用飛行時(shí)間(ToF)攝像頭。這種攝像頭通過(guò)調(diào)制紅外光,照射感興趣區(qū)域,然后檢測(cè)反射光,并將其與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較。這就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)2D灰度圖像,同時(shí),從相位差中獲得每個(gè)像素的距離信息,從而獲得場(chǎng)景的三維信息(見(jiàn)圖1)。


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圖1:iToF技術(shù)原理 

2D灰度圖與3D深度信息均由紅外光獲得


這種方法通常被稱(chēng)為間接飛行時(shí)間(iToF)。與傳統(tǒng)攝像頭不同,iToF在所有環(huán)境光條件下(例如:夜間、強(qiáng)烈的陽(yáng)光下和光影頻繁交替的馬路上),都可以提供高度可靠的3D數(shù)據(jù),而不會(huì)受到陰影和過(guò)曝的影響。相比其他深度傳感技術(shù),iToF還具有其他優(yōu)勢(shì):ToF攝像頭模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單堅(jiān)固,無(wú)需任何機(jī)械基線(xiàn);攝像頭校準(zhǔn)速度快,易于可靠地大規(guī)模生產(chǎn);應(yīng)用處理器的計(jì)算負(fù)載相對(duì)較小。


監(jiān)控駕駛員


將ToF傳感器置于A柱、方向盤(pán)或組合儀表中,便可用于駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)。


這些系統(tǒng)會(huì)觀察駕駛員的情況,并在駕駛員注意力分散或出現(xiàn)疲勞跡象時(shí)發(fā)出警告?,F(xiàn)在,這些系統(tǒng)越來(lái)越多地被安裝在車(chē)中,以滿(mǎn)足最新的新車(chē)評(píng)估計(jì)劃(NCAP)的要求。到2029年,預(yù)計(jì)50%的車(chē)輛將配備 DMS,基于攝像頭的DMS市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到25億美元(見(jiàn)圖2)。


如今,標(biāo)準(zhǔn)要求(駕駛員注意力、注視區(qū)域分割、注意力分散或疲勞)通常由2D攝像頭系統(tǒng)監(jiān)控。但只要納入第三個(gè)維度,就會(huì)涌現(xiàn)全新的創(chuàng)新應(yīng)用,“車(chē)輪上的智能手機(jī)”和“駕駛員成為乘員”等愿景將成為現(xiàn)實(shí)(見(jiàn)圖3)。


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圖2:未來(lái)幾年,基于攝像頭的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)將逐漸邁入市場(chǎng)


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圖3:未來(lái),車(chē)內(nèi)設(shè)計(jì)將成為汽車(chē)制造商之間的一項(xiàng)重要差異化因素


基于ToF的DMS是較為經(jīng)濟(jì)高效的選擇。在該系統(tǒng)中,用于DMS功能的同一個(gè)ToF攝像頭可以用于實(shí)現(xiàn)安全、防欺詐的面部驗(yàn)證,就像許多智能手機(jī)和智能門(mén)鎖那樣。該算法使用2D紅外圖像進(jìn)行面部識(shí)別,并使用3D數(shù)據(jù)來(lái)避免任何類(lèi)型的欺騙攻擊。如果沒(méi)有3D數(shù)據(jù),一張簡(jiǎn)單的照片就足以騙過(guò)面部識(shí)別算法;而3D數(shù)據(jù)可以立即阻止這種企圖(參見(jiàn):《3D攝像頭如何防止面部識(shí)別欺詐》)。


但是,為什么需要在汽車(chē)上進(jìn)行3D面部認(rèn)證呢?隨著消費(fèi)者對(duì)智能手機(jī)、智能手表、智能電視和其他智能設(shè)備所提供的便利性愈發(fā)習(xí)以為常,他們期望汽車(chē)也能帶來(lái)越來(lái)越多的便利。這意味著無(wú)論您身在何處(哪怕在智能汽車(chē)中),都可以無(wú)縫地訪問(wèn)私人數(shù)據(jù)和云服務(wù),例如:流媒體音樂(lè)。


而這些新服務(wù)也需要身份驗(yàn)證,例如:在公共充電站給電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)實(shí)現(xiàn)輕松支付。當(dāng)需要對(duì)某個(gè)操作進(jìn)行身份驗(yàn)證時(shí),特別是那些敏感交易,就必須具備安全性,而這可以通過(guò)3D數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但也有一些不太敏感的面部識(shí)別應(yīng)用。以個(gè)性化為例,它能使汽車(chē)檢測(cè)到剛剛是哪位駕駛員進(jìn)入了車(chē)輛,從而加載適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。


安全與便利應(yīng)用


汽車(chē)一旦上路,3D數(shù)據(jù)還可以用來(lái)更加精確地確定駕駛員眼睛和頭部的位置。這意味著,抬頭顯示器的投影也將更加適應(yīng)駕駛員的情況。


但DMS并非ToF攝像頭的唯一用途。后視鏡附近的寬視野ToF攝像頭可實(shí)現(xiàn)完整的乘員監(jiān)控系統(tǒng)(OMS),為自動(dòng)駕駛過(guò)程中的所有必要任務(wù)提供支持,為手握方向盤(pán)檢測(cè)和自動(dòng)駕駛接管行為鋪平了道路。車(chē)輛接管駕駛時(shí),駕駛員可以大幅改變姿勢(shì),甚至躺臥。為確保駕駛員的安全,車(chē)輛安全系統(tǒng)必須適應(yīng)駕駛員的新姿勢(shì)。例如,智能安全氣囊或安全帶需要了解乘員的精確位置。ToF攝像頭通過(guò)準(zhǔn)確的3D身體模型和實(shí)時(shí)身體跟蹤提供此類(lèi)信息。于是,哪怕駕駛員在L3和L4自動(dòng)駕駛中享受了更多的“自由”,其被動(dòng)安全依然有保障。


3D傳感技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止跟蹤運(yùn)動(dòng),它還可以輕松實(shí)現(xiàn)乘員檢測(cè)和分類(lèi)。這提供了準(zhǔn)確的尺寸和重量估計(jì),可以取代現(xiàn)有的座椅重量測(cè)量系統(tǒng)。同樣,ToF還支持兒童存在檢測(cè)(CPD)系統(tǒng),該系統(tǒng)正逐步成為一項(xiàng)強(qiáng)制性要求。


ToF還提供全新的便利性應(yīng)用。OMS的ToF傳感器可以跟蹤乘員的脊柱位置,從而提供健康座椅位置建議、激活按摩座椅或提供健身提示等選項(xiàng),以便在長(zhǎng)時(shí)間的乘坐中,稍事休息,放松背部。


ToF攝像頭也可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制,讓乘員可以從不同的座椅位置與大屏幕交互。同時(shí),車(chē)輛可以區(qū)分駕駛員和乘員的輸入。但同樣,其追蹤并不限于手部動(dòng)作,還可以擴(kuò)展到整個(gè)身體和動(dòng)作。這使得智能且直觀的車(chē)內(nèi)照明成為可能,例如:只照亮當(dāng)前的感興趣區(qū)域。這顯示了ToF技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)。雖然某些應(yīng)用也可以通過(guò)其他(甚至可能更便宜的)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn),但僅僅一個(gè)ToF傳感器就可以同時(shí)提供多種不同的功能。如上所述,ToF可以實(shí)現(xiàn)全新的應(yīng)用,優(yōu)化車(chē)內(nèi)現(xiàn)有的系統(tǒng),甚至免去其他傳感器,以降低總成本。


首批采用ToF傳感器的車(chē)輛已經(jīng)上路


寶馬是利用ToF傳感器進(jìn)行手勢(shì)控制的先驅(qū);梅賽德斯也正在利用這項(xiàng)技術(shù),提供便利性功能。在中國(guó),許多新的電動(dòng)汽車(chē)初創(chuàng)公司正在依賴(lài)ToF傳感器進(jìn)行DMS和面部識(shí)別。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在AITO車(chē)型中得到了應(yīng)用,預(yù)計(jì)其他各大汽車(chē)制造商將于明年推出更多采用該技術(shù)的車(chē)型。因此,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)打入了汽車(chē)內(nèi)部。


3D攝像頭如何防止面部識(shí)別欺詐


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面部識(shí)別算法在這一點(diǎn)上相當(dāng)成熟。特別是在智能手機(jī)中,該技術(shù)現(xiàn)得到廣泛的應(yīng)用。但研究(例如:德國(guó)雜志Computer Bild Q1/20的研究)表明,許多智能手機(jī)很容易被騙:25部智能手機(jī)中有20部可以被一張簡(jiǎn)單的打印照片解鎖。只有配備3D深度傳感器的智能手機(jī)才能區(qū)分真實(shí)的面部和照片。這使得ToF成為了為汽車(chē)駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)添加安全面部認(rèn)證的理想技術(shù)。


英飛凌與Jungo Connectivity合作,展示了與強(qiáng)大的反欺詐面部認(rèn)證功能相結(jié)合的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng):該系統(tǒng)基于Jungo的人工智能車(chē)內(nèi)感應(yīng)解決方案CoDriver和英飛凌的REAL3? ToF圖像傳感器。



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圖4:3D ToF也適用于近距離車(chē)外感應(yīng)


ToF也為車(chē)輛外部帶來(lái)了全新的可能性(見(jiàn)圖4)。如上文所述,面部認(rèn)證可以用來(lái)解鎖車(chē)輛。為此,我們?cè)贐柱中安裝了ToF模塊。


能夠自動(dòng)開(kāi)合的電動(dòng)車(chē)門(mén),需要通過(guò)傳感器來(lái)確保沒(méi)有障礙物擋道。對(duì)此,ToF傳感器可以提供所需的高精度數(shù)據(jù)。對(duì)于自動(dòng)泊車(chē),ToF傳感器可提供關(guān)于路緣石、柱子等物體的位置和大小的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。


當(dāng)然,ToF攝像頭模塊是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng):它必須針對(duì)各自的車(chē)輛和應(yīng)用進(jìn)行定制,并且每個(gè)模塊都必須進(jìn)行校準(zhǔn)。所使用的激光必須得到電氣保護(hù)和機(jī)械保護(hù),以便時(shí)刻確保乘員的眼部安全。數(shù)據(jù)處理同樣不可小覷。在汽車(chē)應(yīng)用中,ToF模塊與所有其他部件一樣,必須滿(mǎn)足特定的標(biāo)準(zhǔn)。例如:智能安全氣囊應(yīng)用就需要符合包括ISO 26262在內(nèi)的功能安全要求。


世界首款通過(guò)ISO 26262認(rèn)證的ToF傳感器


英飛凌是首家提供符合ISO 26262 ASIL-B功能性安全要求的高分辨率車(chē)規(guī)級(jí)ToF圖像傳感器的公司。ISO 26262 ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)定義了功能安全領(lǐng)域的最新技術(shù)水平。車(chē)內(nèi)任何可能影響乘員安全的器件都必須符合該標(biāo)準(zhǔn)。


在通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的器件中,英飛凌REAL3? IRS2877A(S) ToF圖像傳感器就是其中的一個(gè)。它基于第五代像素技術(shù),已經(jīng)過(guò)了智能手機(jī)的實(shí)踐檢驗(yàn)(IRS2877C)。有了這款新傳感器,鏡頭尺寸再度大幅縮小,像素圈僅為4mm(0.25英寸),這使得鏡頭和智能手機(jī)的攝像頭一樣小。同時(shí),它還具有高達(dá)640 × 480像素(VGA)的系統(tǒng)分辨率。


這是一款高度集成的解決方案,每個(gè)像素都具有背光抑制功能(所以,圖像傳感器完全不受陽(yáng)光的干擾)、集成了保護(hù)人眼的安全電路,并采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電源設(shè)計(jì),有助于實(shí)現(xiàn)高效的(尺寸和成本)ToF攝像頭模塊設(shè)計(jì)。整個(gè)器件采用標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)球狀引腳柵格陣列(BGA)封裝,適用于標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝。


總結(jié)


3D深度數(shù)據(jù)讓一切變得與眾不同:ToF解決方案表明,合規(guī)與創(chuàng)新并不矛盾。僅一個(gè)傳感器就可以滿(mǎn)足歐盟的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和NCAP DMS的功能要求(包括頭部跟蹤、閉眼檢測(cè)和凝視區(qū)域分割),同時(shí)通過(guò)安全的3D面部認(rèn)證增加了新的功能和服務(wù)。這開(kāi)辟了一個(gè)無(wú)縫連接的時(shí)代。此外,基于ToF的乘員監(jiān)控系統(tǒng)將“駕駛員成為乘員”的愿景化為可能,例如,在車(chē)輛自動(dòng)駕駛時(shí),駕駛員可以改變姿勢(shì),甚至躺臥。


英飛凌擁有一個(gè)強(qiáng)大的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng),包括:模塊制造商、一級(jí)客戶(hù)和應(yīng)用軟件專(zhuān)家。該公司在消費(fèi)類(lèi)、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,也有著不錯(cuò)的ToF傳感器成績(jī)。英飛凌與開(kāi)發(fā)合作伙伴pmdtechnologies一起,提供了一個(gè)完整的解決方案,包括復(fù)雜的深度算法、深度數(shù)據(jù)偽影檢測(cè)和校正、深度軟件支持,以及先進(jìn)、快速并經(jīng)過(guò)大量驗(yàn)證的校準(zhǔn)和測(cè)試設(shè)置。


英飛凌是首家提供符合ISO 26262 ASIL-B功能安全要求的高分辨率車(chē)規(guī)級(jí)ToF圖像傳感器的公司。


英飛凌的ToF圖像傳感器是全球第一款通過(guò)ISO 26262 ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的3D ToF圖像傳感器,可應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的功能安全應(yīng)用。


英飛凌還是車(chē)內(nèi)傳感器領(lǐng)域的一站式服務(wù)提供商,除了ToF傳感器外,還提供毫米波雷達(dá)和硅麥克風(fēng)等其他傳感器。



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