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為什麼 HDR 相機在汽車應用中至關重要
創建於 12.08
汽車產業正經歷著向自主性和連接性的劇變，安全性和情境意識已成為不可妥協的優先事項。在推動這一轉型的技術中，高動態範圍（HDR）攝像頭已從高端附加設備演變為不可或缺的組件——為先進駕駛輔助系統（ADAS）到乘員安全監控等各種應用提供支持。與在極端光線對比下表現不佳的標準攝像頭不同，HDR技術能夠捕捉更廣泛的亮度範圍，保留陰影和過曝區域中的關鍵細節。這一能力不僅僅是關於更好的圖像質量；它還是關於使汽車能夠在混亂且不可預測的現實世界中可靠地“看見”。讓我們來探討為什麼HDR 相機在現代汽車應用中已變得不可或缺。
安全的必要性：征服極端照明挑戰
道路環境本質上是變化多端的，照明條件在毫秒內劇烈變化——從明亮的陽光照射在濕滑的路面上，到突然進入黑暗的隧道，或是夜間駕駛時迎面而來的車頭燈。這些情況會為標準攝像頭創造“可見性盲點”，這些攝像頭通常會犧牲明亮或黑暗區域的細節，以產生可用的影像。對於自動駕駛輔助系統（ADAS）功能，如自動緊急制動（AEB）或車道保持輔助（LKA），這樣的盲點可能會帶來災難性的後果。
HDR 相機通過捕捉同一場景的多個曝光並將它們合併成一個具有平衡光照的單一圖像來解決這一關鍵限制。發表在 PubMed 的一項研究顯示，HDR 成像結合先進的色調映射技術，在挑戰性條件下，物體檢測的 F2 分數比標準動態範圍 (SDR) 相機提高了 49%。在實際應用中，這意味著配備 HDR 的車輛可以可靠地識別在陽光明媚的日子裡陰影人行道上的行人，或在駛出隧道時檢測到前方停著的車輛——這些情況下 SDR 相機要麼會過度曝光背景，要麼會曝光不足物體。
e-con Systems 的 STURDeCAM88 充分體現了這一安全優勢。這款 4K HDR 前視攝像頭提供 140dB 的動態範圍和 LED 閃爍抑制 (LFM)，確保在樹冠下、路燈旁或惡劣天氣中駕駛時圖像清晰度的一致性。對於前方碰撞警告 (FCW) 系統來說，這意味著更快的反應時間和更準確的威脅評估——特別是在高速公路上，瞬息之間的決策可以挽救生命。同樣，Alpine 的 HDR 多視角後視攝像頭系統在從地下停車場移動到明亮的日光時會自動調整曝光，消除了傳統後視攝像頭在快速光線轉換期間困擾的“白屏”效應。
驅動下一代ADAS和自動駕駛
隨著車輛向更高的自主性（Level 3+）邁進，它們對精確環境感知的依賴程度加強。自主駕駛系統（ADS）需要對車輛周圍環境進行360度的理解，通過傳感器融合整合來自攝像頭、LiDAR和雷達的數據。在這些傳感器中，HDR攝像頭扮演著獨特的角色，提供豐富的視覺上下文——例如交通標誌細節、車道標記可見性和物體分類——這是僅靠LiDAR和雷達無法匹敵的。
關鍵在於HDR能夠補充其他感測器。雖然雷達在距離和速度檢測方面表現出色，但在物體識別方面卻存在困難；LiDAR生成詳細的3D地圖，但在大雨或霧霾中仍然成本高昂且效果不佳。HDR相機通過提供高保真視覺數據來彌補這些差距，從而提高感測器融合的準確性。例如，當與雷達數據結合時，HDR相機的影像能夠更精確地識別物體——即使在低光條件下，也能區分騎自行車的人和路邊標誌。
最近的硬體創新進一步提升了HDR在ADS中的角色。e-con Systems的STURDeCAM34，基於onsemi的AR0341AT感測器，提供150dB的原始HDR性能和同步多攝影機支持，允許多達八個攝影機通過GMSL2介面連接到NVIDIA Jetson AGX Orin。其專利的熱插拔技術確保在感測器維護期間不中斷運行，這對於商業自動駕駛車隊來說是一個關鍵特性。與此同時，該感測器的超曝光像素技術在整個汽車溫度範圍內保持影像質量，解決了惡劣駕駛環境中的一個長期痛點。
徹底改變艙室監控：DMS 和 OMS
車艙監控系統（CMS）—包括駕駛員監控系統（DMS）和乘客監控系統（OMS）—在許多地區已成為強制要求，以防止分心或受損的駕駛。這些系統依賴於能夠可靠追蹤面部特徵、眼動和身體位置的攝像頭，無論車艙照明如何—from direct sunlight streaming through side windows to dimmed interiors at night。
HDR技術結合近紅外（NIR）靈敏度，已經改變了CMS的能力。OmniVision的OX05C是汽車行業首款5MP背照式（BSI）全球快門HDR感測器，利用Nyxel® NIR技術在940nm提供世界級的量子效率。這使得DMS能夠在低光條件下檢測駕駛員的疲勞或分心，而其RGB-IR分離功能則減少了實時警報的處理延遲。該感測器緊湊的6.61mm x 5.34mm外形尺寸也為汽車製造商在相機安裝位置上提供了靈活性，這對於將CMS整合到流線型、現代化的駕駛艙設計中至關重要。
全球快門技術是 OX05C 的一個關鍵特徵，解決了傳統滾動快門感測器的另一個限制：運動模糊。在移動的車輛中，滾動快門相機可能會扭曲面部特徵或乘客動作，導致 DMS/OMS 警報中的誤報。全球快門同時捕捉整個畫面，確保即使在車輛運動或乘客轉頭時也能獲得清晰、準確的影像。作為 CMS 演算法的領先提供商，Smart Eye 指出，這種 HDR、NIR 敏感度和全球快門的組合“能夠在所有光照條件下持續追蹤駕駛者的注意力——從明亮的陽光到接近黑暗”。
成本效益與汽車製造商的設計靈活性
除了性能優勢外，HDR相機還為尋求平衡安全性、成本和設計的汽車製造商提供了實際優勢。最新的HDR感測器將先進功能直接集成在晶片上，減少了對外部處理硬體的需求。例如，OX05C包括晶片上的RGB-IR分離，減輕了影像信號處理器（ISP）的帶寬限制，並降低了整體系統的複雜性。這不僅降低了元件成本，還簡化了與現有車輛架構的整合。
多鏡頭 HDR 系統透過實現共享功能進一步提升成本效益。Alpine 的 HCE-C2100RD 後視 HDR 攝影機支持四種觀景模式（後方、全景、角落、地面），並且可以連接最多三個額外的攝影機，消除了對於停車輔助、拖車鉤接和盲點監控所需的獨立專用攝影機的需求。同樣，e-con Systems 的 STURDeCAM34 的同步多攝影機支持相比獨立攝影機設置減少了布線複雜性和功耗。
設計靈活性是另一個關鍵優勢。HDR感測器的小型化——例如OX05C的佔地面積比其前身小30%——使其可以安置在如後視鏡、門把手或儀表板邊框等隱蔽位置。這有助於汽車製造商維持空氣動力效率和內部美學，同時最大化攝像頭的覆蓋範圍。對於空間和重量都非常重要的電動車（EV）來說，緊湊型HDR攝像頭在不妨礙安全的情況下，有助於整體效率。
汽車HDR的未來：人工智慧及其他
隨著汽車技術的演進，HDR 相機將在人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 中扮演越來越整合的角色。PubMed 的研究突顯了檢測資訊導向的色調映射 (DI-TM) 的潛力，這是一種由 AI 驅動的技術，旨在為特定物體檢測任務優化 HDR 圖像處理。通過訓練神經網絡優先考慮關鍵特徵—如行人輪廓或交通信號燈顏色—DI-TM 相較於傳統色調映射提高了 13% 的檢測準確性。HDR 與 AI 之間的這種協同作用對於 Level 4+ 自動駕駛至關重要，因為在這種情況下，車輛必須實時做出複雜的決策。
新興趨勢也指向更高的解析度和更快的幀率。像 STURDeCAM88 這樣的 4K HDR 相機已經能夠在 30fps 下提供 8.3MP 的解析度，實現對交通標誌和車道標記的遠距離檢測。未來的版本可能會推進到 8K 解析度和 60fps 的幀率，進一步提升高速下的物體識別能力。此外，低功耗 HDR 感測器的進步將延長電動車的電池壽命，解決電動出行的一個關鍵問題。
監管壓力將繼續推動HDR的採用。隨著全球各國政府要求更嚴格的安全標準——例如歐盟的通用安全法規（GSR）和NHTSA提議的ADAS要求——HDR攝像頭將成為基本功能，而非高端選項。在事故場景中可靠地捕捉證據的能力（通過行車記錄儀）也使HDR成為保險和責任目的的關鍵工具，進一步加速了其採用。
結論：HDR作為安全、自主移動的基礎
HDR 相機已超越其作為「影像增強工具」的角色，成為現代汽車安全與自主駕駛的基礎組件。通過克服極端光照挑戰、實現精確的感測器融合、革新車艙監控以及提供具成本效益的設計解決方案，HDR 技術滿足了汽車製造商、駕駛者和監管機構最迫切的需求。從 49% 的物體檢測改善到可靠的低光性能，實證數據顯示 HDR 在防止事故和實現下一代移動性方面的不可妥協價值。
隨著車輛變得更加互聯和自動化，對於穩健、可靠的感知系統的需求只會增長。HDR相機憑藉其將“可見盲點”轉變為“清晰視野”的能力，不僅是必需的——它們是不可替代的。對於希望在競爭激烈的市場中區分其車輛的汽車製造商來說，投資HDR技術不僅僅是一個選擇；這是對安全、創新和駕駛未來的承諾。
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