[APPLICATION ONSEMI] Dans les futurs véhicules entièrement autonomes, il faudra que les caméras soient capables de capturer en continu les moindres détails dans toutes les conditions afin de garantir la sécurité des occupants des véhicules et des autres usagers de la route. La société onsemi détaille les principales caractéristiques à prendre en compte lors de la sélection d'un capteur d'image CMOS destiné à être utilisé dans de telles applications, notamment la résolution, la sensibilité, la vitesse, la gamme dynamique, le mouvement et la couleur.

Auteur : In Kyu Kho, marketing produits, onsemi.

Pour que les véhicules entièrement autonomes deviennent une réalité, il faudra combiner les informations provenant de plusieurs types de capteurs, parmi lesquels les caméras figureront peut-être au rang des plus importants. Il est essentiel que ces caméras soient capables de capturer en continu les moindres détails dans toutes les conditions afin de garantir la sécurité des occupants des véhicules et des autres usagers de la route. Dans cet article, onsemi examine les principales caractéristiques à prendre en compte lors de la sélection d'un capteur d'image offrant la combinaison optimale des fonctionnalités requises pour une utilisation dans les véhicules autonomes.

 

Les capteurs d'images jouent un rôle important dans la conduite autonome

Les capteurs d'image convertissent les photons de la lumière en électrons qui sont ensuite stockés sous forme d'image numérique. Les capteurs d'image sont désormais couramment utilisés dans les applications de vision par caméra, qu'il s'agisse d'usines intelligentes, d'imagerie médicale ou d'automobile. Le choix du capteur d'image dépend du niveau de performances requis par une application donnée.

Connaître la fréquence d'images requise, les conditions d'éclairage attendues et les tolérances système souhaitées est un point de départ utile pour décider du meilleur capteur d'image à utiliser, mais un manque d'expertise en ingénierie des systèmes de vision peut rendre le processus intimidant. Heureusement, il existe plusieurs critères permettant de comparer les performances de différents capteurs d’image.

Résolution et sensibilité des capteurs

La résolution du capteur est une spécification essentielle dans les applications où la précision des mesures est importante, car elle détermine le nombre de pixels sur les lignes et les colonnes d'une surface photosensible qui capture l'image.

Le nombre minimum de pixels requis dépend de la plus petite caractéristique à détecter dans une image. Si, en théorie, seuls deux pixels par dimension peuvent être utilisés pour résoudre une caractéristique unique d'un objet, le manque de contraste et le bruit de l'image font que, dans la pratique, au moins quatre ou cinq pixels se chevauchant sont nécessaires pour établir complètement une caractéristique.

La sensibilité est une mesure de l'efficacité d'un capteur à convertir les photons en électrons et elle est importante dans pratiquement toutes les applications. Il s'agit d'une mesure du temps et de l'éclairement (la lumière) nécessaire à un capteur pour discerner une image utilisable. La sensibilité est également affectée par le bruit du capteur, ce qui fait du rapport signal/bruit (SNR, Signal-to-Noise Ratio) une spécification importante. Les capteurs ayant un rapport signal/bruit élevé fournissent des images de meilleure qualité dans des conditions de faible luminosité.

La sensibilité est particulièrement importante dans les applications de surveillance et médicales qui nécessitent une qualité d'image élevée, même dans des conditions de faible luminosité. La sensibilité est indiquée sur la fiche technique d'un capteur d'image, mais il peut être parfois difficile de comparer la sensibilité des capteurs de différents fabricants. L'exigence d'un niveau de détail élevé, même dans des conditions d'éclairage très faible (presque sombre), fait que les spécifications de résolution et de sensibilité doivent être examinées attentivement lors de la sélection d'un capteur d'image destiné à être utilisé dans un véhicule autonome.

Gamme dynamique et fréquence d'images

La gamme dynamique est le rapport entre le signal minimum (bruit) et la pleine capacité d'un pixel, et elle définit le nombre de niveaux de luminosité différents présents dans une image. Cette caractéristique est particulièrement importante dans les applications soumises à des conditions d’éclairage extrêmes.

Les résultats de mesure de la gamme dynamique s’appuient sur la norme EMVA (European Machine Vision Association) 1288 et sont exprimés en décibels (dB), ce qui les rend facilement comparables dans la plupart des fiches techniques des capteurs.

 

L'image de droite affiche une gamme dynamique beaucoup plus élevée que celle de gauche

La fréquence d'images est une mesure de la vitesse du capteur et elle est donnée par le nombre d'images (frames) par seconde (fps) qu'il peut lire électroniquement. Une fréquence d'images élevée est importante dans les applications de capture d'objets en mouvement rapide où un temps d'exposition court est essentiel pour éviter le flou et réduire les artefacts de mouvement.

La fréquence d'images maximale réalisable diminue à mesure que le nombre de pixels du capteur augmente. Par exemple, il est possible d'atteindre des fréquences d'images plus élevées en utilisant un capteur d'image VGA (Video Graphics Array) de faible qualité plutôt qu'avec un capteur pleine résolution de 20 millions de pixels (MP).

La combinaison d'une fréquence d'images élevée et d'une haute résolution est possible grâce à des capteurs prenant en charge les "régions d'intérêt" (ROI, Regions of Interest). Ceux-ci définissent une ou plusieurs zones d'une image à détecter pour le traitement, et toutes les autres zones de l'image sont ignorées. Cela réduit efficacement la résolution globale de l’image, permettant des taux de rafraîchissement plus élevés.

Comme les voitures standard, les véhicules autonomes sont confrontés à une grande variété de conditions d’éclairage lorsqu’ils se déplacent à grande vitesse, ce qui rend une gamme dynamique et une fréquence d’images élevées des caractéristiques essentielles lors de la sélection d’un capteur d’image pour cette application.

Le mouvement et la couleur

L'obturateur déroulant et l'obturateur global sont les deux méthodes de lecture utilisées par les capteurs d'image CMOS. La méthode de l’obturateur déroulant lit les pixels d’un capteur ligne par ligne au fur et à mesure qu’ils sont exposés, ce qui en fait une technologie très rapide. Il utilise moins de transistors par pixel, induit moins de bruit et s’avère plus sensible et moins coûteux que les capteurs qui utilisent un obturateur global. Les capteurs à obturateur déroulant sont recommandés dans les applications nécessitant une grande gamme dynamique.

Dans le cas de la lecture globale par l'obturateur, chaque pixel est exposé en même temps, de sorte qu'il n'y a aucun délai de capture entre les lignes de pixels. Cependant, cette approche est coûteuse et difficile à mettre en œuvre.

Si les capteurs d'image monochromes sont acceptables dans des applications telles que l'enregistrement de mesures et la détection de présence, la couleur est désormais requise dans de nombreuses applications. Néanmoins, les capteurs monochromes présentent certains avantages. Pour qu'un capteur fournisse une image en couleur, des filtres RVB sont appliqués pixel par pixel, disposés selon un schéma de Bayer. Cependant, l’interpolation des couleurs des filtres Bayer a pour effet de réduire les détails et la précision globale des mesures. Par conséquent, un capteur de couleur ne doit être utilisé que si l’application nécessite des informations sur les couleurs.

Il est clair que les applications de véhicules autonomes nécessitent la capture d’images couleur et un capteur utilisant une approche à obturateur déroulant.

Taille des pixels

Il existe une fausse idée selon laquelle une taille de pixel plus grande est synonyme de meilleure qualité d’image. Même si les pixels de plus grande taille offrent plus de surface disponible pour capter la lumière, cela ne signifie pas pour autant que les images obtenues sont de meilleure qualité.

Il est bon de noter que des facteurs tels que la résolution et la mesure du bruit des pixels jouent également un rôle important dans la détermination de la qualité de l'image. Les petits pixels ont tendance à avoir une non-uniformité du signal sombre (DSNU, Dark Signal Non-Uniformity) plus faible ; à des températures plus élevées, le DSNU limite les performances en cas de faible luminosité. Dans certains cas, un capteur à pixels plus petits peut être plus performant qu'un capteur à grands pixels.

Lors de la conception de systèmes à caméras, il est important de trouver un équilibre optimal entre les caractéristiques de vitesse, de sensibilité et de qualité d’image pour obtenir des performances supérieures.

Une solution de capteur CMOS

La famille de capteurs Hyperlux est la plate-forme technologique de pixels de super-exposition de 2e génération de la société onsemi, offrant des performances exceptionnelles dans des résolutions allant de 3 MP à 8 MP et plus pour les applications d'imagerie automobile. L'exposition unique sans scintillement (FF, Flicker Free, FF) supérieure à 120 dB et la très grande gamme dynamique (HDR, High Dynamic Range) de 150 dB avec la technologie d'atténuation du scintillement LED (LFM, LED Flicker Mitigation) offrent une qualité d'image et une gamme dynamique stable sur toute la plage de température dans l’automobile, éliminant la nécessité de modifier les réglages dans des conditions d'éclairage variables, ce qui réduit la latence et améliore la sécurité.

Les capteurs d'image de 2,1 µm incluent des fonctions flexibles telles que les ROI intelligentes, le "binning", le fenêtrage et la double sortie. Ces fonctionnalités permettent des sorties de formats de données flexibles telles que différentes résolutions (ROI) et différents temps d'intégration en parallèle.

Le capteur est conçu pour un système à sûreté de fonctionnement ASIL-D ; ses mécanismes sophistiqués de sécurité fonctionnelle en temps réel et ses fonctionnalités de détection des défaillances aident à atteindre le niveau le plus élevé des systèmes ADAS.

La compréhension est la clé de la sélection

Dans cet article, nous avons expliqué les principales caractéristiques à prendre en compte lors de la sélection d'un capteur d'image CMOS destiné à être utilisé dans des applications de véhicules autonomes, notamment la résolution, la sensibilité, la vitesse, la gamme dynamique, le mouvement et la couleur.

Les capteurs d'image Hyperlux d'onsemi offrent la combinaison optimale de chacune de ces caractéristiques, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans différentes applications automobiles.