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2、器的概念,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,视觉传感器目前作为汽车基础的感知器件得到广泛应用：单车基本标配,46,颗摄像头，而新能源汽车及智能网联汽车则动辄,10,个以上。可以预见，未来智能网联汽车自动驾驶技术发展到,l4,阶段及以后，视觉传感器还将发挥重要角色，在数量上只增不减。,二、视觉传感器发展历史,当前讨论的视觉传感器主要是指通过对摄像机拍摄到的图像进行图像处理，来计算对象物的特征量（面积、重心、长度、位置等），并输出数据和判断结果的图像传感器。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,如果要追根溯源的话，图像传感器的历史可以一直追溯到“
3、小孔成像”现象：在一个明亮的物体与屏幕间放一块挡板，挡板上开一个小孔，在屏幕上会形成物体的一个倒立的实像。小孔成像现象的发现是早期光学研究中揭示光的直线传播性的最重要的证据之一，也是后世照相、幻灯等技术诞生的物理基础。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,成书于战国中期（约公元前,4,世纪中叶以前）的,墨经,最早述及小孔成像现象。在,墨经,的“经下”和“经说下”两篇中记载了一系列关于光线成像、成影以及镜面反射规律的论述，是世界上最早的关于光学问题的论述，小孔成像问题就是其中一条，其中不仅描述了光线通过小孔在墙壁上形成倒立实像的现象，而且还讨论
4、了成像机制，正确地指出形成倒像的根本原因在于光的直进性。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,在西方，最早记载小孔成像现象的是希腊哲学家亚里士多德（公元前,384,公元前,322,）。他在,问题集,（公元前,4,世纪后半叶）中记述了阳光穿过树叶或柳条制品的间隙在地上成像的现象，并提及暗盒的概念。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,照相暗盒是一种利用穿过小孔进入暗室的光束来投射物体颠倒图像的光学设备，而该设备采用的机制与针孔照相机几乎相同。从,16,世纪起，照相机最终发展为一种集镜头、暗箱和
5、反射镜于一体的设备，如下图所示，因为当时没有感光材料，主要被用作观赏影像或被艺术家用作绘制风景素描和肖像画的绘图辅助工具。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,根据小孔成像现象形成的影像是无法被固定下来的，而且“照相暗箱”也不是什么“传感器”，直到人们发明了感光材料。,1826,年前后，法国人涅普斯在一块铅锡合金板上涂上白蜡和沥青的混合物，制成了一块感光金属板，并把它放进照相机内，在自家的阁楼上对着窗外曝光了,8,个小时，然后用薰衣草油把没有曝光硬化的白色沥青混合物洗掉，露出金属板的深黑色，得到了窗外景物的正像：左侧是鸽子笼，中间是仓库屋顶，
6、右侧是另一座房子的一角。由于长时间曝光，两侧都留下了阳光照射的痕迹，这就是被认定为世界上的第一幅照片,窗外,，如下图所示，目前被保存在法国博物馆。尼埃普斯把他的方法称作“日光蚀刻法”。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,1839,年，法国发明家、艺术家和化学家路易,雅克,芒戴,达盖尔发明了达盖尔银版法，又称达盖尔摄影法，该方法利用镀有碘化银的钢板在暗箱里曝光，然后以水银蒸汽显影，再以普通食盐定影。此法得到的实际上是一个金属负像，但十分清晰而且可以永久保存。随后，达盖尔根据此方法制成了世界上第一台照相机，曝光时间需要,2030,分钟。,课程导
7、入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,1839,年,8,月,19,日，法国政府宣布放弃对银版摄影术这项发明的专利，并公之于众。人们通常以这一天作为摄影术的开端。后来在,1888,年，美国柯达公司生产出了新型感光材料,一种柔软、可卷绕的“胶卷”，实现了感光材料的一个飞跃。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,但是这里存在一个问题：从达盖尔的镀银摄影，直到胶卷时代的银盐感光材料，都会用到贵重金属：白银，也就是说，在使用白银制造摄影的感光材料（胶卷、胶片）以及拍摄之后冲洗加工的过程中，不仅会对环境造成污染
8、，而且还在不断消耗着这种贵金属材料。,如何摆脱摄影必须要使用贵重金属的困境？答案是“数字化”，也就是将光学图像信号转换为电信号。通常把能实现上述功能的装置称为图像传感器。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,图像传感器的开端发生在,1873,年，科学家约瑟,美,(joseph may),及伟洛比,史密夫,(willoughby smith),发现了硒元素结晶体感光后能产生电流。,随着技术演进，图像传感器性能逐步提升。,早期的图像传感器主要为真空电子器件，如摄像管（,vidicon,）。摄像管主要由光电转换（光电变换与存储部分）和电子束扫描系统
9、（阅读部分）组成。其中，光电转换系统利用光电发射作用或光电导作用，将摄像机镜头所摄景物的光影像在靶上转换为相应的电位分布图，而扫描系统使电子束在靶上扫描，将此电位分布图逐行逐点地转换为电信号。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,20,世纪,60,年代开始，先后有多种固态图像传感器（,solid-state image sensor,）方案面世，其中最重要的是贝尔实验室,1969,年发明并于次年对外发表的,ccd,（,charge coupled device,，电荷耦合元件）图像传感器，即数码相机的核心部件，将光线照射导致的电信号变化转换成
10、数字电信号，使得其高效存储、编辑、传输都成为可能。发明了,ccd,的科学家维拉,博伊尔（,willard s.boyle,）和乔治,史密斯（,george e.smith,）获得了,2009,年的诺贝尔物理学奖。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,但是随着,ccd,应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，,ccd,技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，,ccd,技术芯片需要的电压功耗大，因此,ccd,技术芯片价格昂贵且使用不便。为此，人们又开发了另外几种固态图像传感器，其中最有发展潜力的是采用标准,cmos,（,compleme
11、ntary metal-oxide semiconductor,，互补金属氧化物半导体元件）制造工艺制造的,cmos,图像传感器。,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,二、视觉传感器发展历史,课程导入,视觉传感器发展历史,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,其实早在,20,世纪,70,年代初，国外就已经开发出,cmos,图像传感器，除了在功耗和成本上占有优势外，由于信号容易受到噪声的干扰而导致成像质量不如,ccd,，因而一直无法与之相抗衡。直到,20,世纪,90,年代，随着超大规模集成电路技术的飞速发展，,cmos,图像传感器可在单芯片内集成,a/d,转换、信号处理、
12、自动增益控制、精密放大和存储等功能，大大减弱了系统的复杂性，降低了成本。随着图像品质的提升，,cmos,在低功耗、高集成度和高速数据传输上的优势逐渐体现出来，因而重新成为研究和开发的热点，发展极其迅猛。近几年,cmos,图像传感器的很多性能指标已经超过,ccd,图像传感器，市场上绝大部分的数字相机都采用它作为成像器件。,2021,年,9,月,29,日，长春长光辰芯光电技术有限公司推出,1.52,亿像素分辨率、全局快门,cmos,芯片,-gmax32152,，是当时市场上已知的分辨率最高的全局快门,cmos,芯片。,三、车载视觉传感器,车载视觉传感器实际上是图像传感器在汽车上的应用，主流传感器主
13、要包括,ccd,图像传感器和,cmos,图像传感器。与传统的图像采集装置不同的是，当前许多汽车使用智能图像采集与处理器，其内部程序存储器可存储图像处理算法，并能使用,pc,机，利用专用组态软件编制各种算法下载到视觉传感器的程序存储器中，视觉传感器将,pc,机的灵活性、可编程逻辑控制器（,plc,）的可靠性与分布式网络技术结合在一起，可以更容易地构成机器视觉系统。,cmos,传感器,ccd,传感器,课程导入,视觉传感器的概念,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,三、车载视觉传感器,3.1 ccd,传感器,ccd,（,charge coupled device,）中文全称为电荷耦合元件。,ccd,图
14、像传感器主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。,ccd,是一种特殊的半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。,ccd,上植入的微小光敏物质称作像素。一块,ccd,上包含的像素数越多，它提供的画面分辨率也就越高。,ccd,的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。,ccd,上有许多排列整齐的光电二极管形成光像素序列阵，能感应光线，如图,2.3,所示，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。,ccd,具有体积小和成本低的特点，广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的视觉传感器都是,ccd,。,c
15、cd,传感器结构,课程导入,视觉传感器的概念,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,三、车载视觉传感器,3.2,cmos,传感器,cmos,（,complementary metal-oxide semiconductor,）中文全称为互补金属氧化物半导体，这是一种数字集成电路的标准,cmos,工艺技术。,cmos,图像传感器主要利用了半导体的光电效应，与,ccd,的原理相似，不同之处在于,cmos,图像传感器嵌入了模数转换器等系统级芯片（,system-on-chip,，,soc,）来实现后处理功能，增加了传感器的复杂性，如图,2.4,所示。它则具有低成本、低功耗及高整合度的特点。现今车载摄像头
16、主要应用的是,cmos,传感器。,cmos,传感器,结构,课程导入,视觉传感器的概念,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,三、车载视觉传感器,3.3 ccd,和,cmos,图像传感器的差异,课程导入,视觉传感器的概念,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,（,1,）成像过程。,ccd,与,cmos,图像传感器光电转换的原理相同，它们最主要的差别在于信号的读出过程不同。由于,ccd,仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好，而,cmos,芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷,-,电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是,ccd,为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在,cmos,芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是,cmos,芯片功耗比,ccd,要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是,cmos,相对,ccd,的固有劣势。,三、车载视觉传感器,3.3 ccd,和,cmos,图像传感器的差异,课程导入,视觉传感器的概念,车载视觉传感器,车载摄像头的结构,（,