كاميرا السيارة: عين القيادة الذاتية
تُعرف الكاميرات المثبتة على السيارة باسم "عيون القيادة الذاتية" وهي معدات الاستشعار الأساسية في نظام ADAS ومجال القيادة الذاتية للسيارات. تتمثل الوظيفة الرئيسية لجمع معلومات الصورة من خلال العدسات وأجهزة استشعار الصورة، والتي يمكنها تحقيق إدراك بصري بزاوية 360 درجة وتعويض عيوب الرادار في التعرف على الأشياء. وهو المستشعر الأقرب إلى رؤية الإنسان.
يتم استخدام الكاميرات المثبتة على السيارة على نطاق واسع في مجال السيارات، وتمتد تدريجيًا من الاستخدام المبكر لتسجيل القيادة، والتصوير العكسي، والرؤية المحيطية لوقوف السيارات إلى التعرف الذكي على سلوك قمرة القيادة والقيادة بمساعدة ADAS، مع سيناريوهات تطبيق متنوعة بشكل متزايد.
تبلغ حصة CR3 الحالية لصناعة كاميرات السيارات العالمية 41%، حيث تستحوذ الشركات العشر الكبرى على 96% من حصة السوق. تركيز صناعة كاميرات السيارات العالمية على مستوى عالٍ.
يتوقع معهد بيانات خسائر الطرق السريعة (HLDI) أنه بحلول عام 2030، سيتم تجهيز ما يقرب من 50٪ من السيارات بتقنية ADAS.
وفقًا لـ ICVTank، من المتوقع أن يصل حجم صناعة كاميرات السيارات في الصين إلى 23 مليارًا بحلول عام 2025، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 30٪ على مدى السنوات الخمس المقبلة؛ من المتوقع أن ينمو سوق كاميرات السيارات العالمي من 11.2 مليار دولار في عام 2019 إلى 27 مليار دولار في عام 2025، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 15.8% على مدى 5 سنوات.
تتضمن القيادة الأوتوماتيكية الإدراك والحكم والتنفيذ، والإدراك هو مصدر العملية برمتها ووحدة مهمة في نظام القيادة التلقائية. أثناء عملية قيادة السيارة، سيقوم نظام الإدراك بجمع معلومات البيئة المحيطة في الوقت الفعلي من خلال أجهزة الاستشعار، وهو ما يعادل "عيون" السيارة ذاتية القيادة، ويمكن أن يساعد السيارة على تحقيق قدرة مراقبة مماثلة لتلك من سائق الإنسان.
في المركبات ذاتية القيادة، يتكون نظام الإدراك بشكل أساسي من أجهزة استشعار مثل الكاميرات، ورادارات الموجات المليمترية، وتقنية LiDAR (اختياري، وذلك بشكل أساسي خوفًا من تشتيت الانتباه). باعتبارها مستشعر الإدراك البيئي الرئيسي، تلعب الكاميرا دورًا مهمًا جدًا في تحقيق إدراك بصري شامل بزاوية 360 درجة، وتعويض عيوب الرادار في التعرف على الأشياء، وهي أقرب مستشعر للرؤية البشرية. لذلك، تعد كاميرات السيارات أحد الأجهزة الرئيسية في مجال القيادة الذاتية.
ما هي الكاميرا في السيارة؟
يشتمل هيكل الأجهزة الرئيسي للكاميرات المثبتة على السيارة على عدسات بصرية (بما في ذلك العدسات البصرية، والمرشحات، والأفلام الواقية، وما إلى ذلك)، وأجهزة استشعار الصور، ومعالجات إشارات الصور (ISP)، وأجهزة التسلسل، والموصلات، والمكونات الأخرى. يظهر الرسم التخطيطي لهيكلها في الشكل:
تشريح وحدة الكاميرا المثبتة على السيارة
تُظهر الصورة أعلاه تشريح وحدات الكاميرا المستخدمة بشكل شائع في السيارات. بالإضافة إلى الغلاف الخارجي المصنوع من الألومنيوم، وحلقة الختم، والعدسة، يوجد في الواقع تصميم بسيط نسبيًا يتكون من عدة طبقات في المنتصف، بما في ذلك عادةً لوحة مستشعر المستشعر، واللوحة الصغيرة لمعالج الصور، ولوحة المستشعر. متسلسل. السبب وراء الحاجة إلى جهاز تسلسل هو أن ناقل إخراج بيانات الصورة الخاص بمستشعرات الكاميرا أو مزودي خدمات الإنترنت عادةً ما يكون قياسيًا، ويتميز بالعبور عالي السرعة، ولكن مسافة ناقل النقل قصيرة، وإلا لا يمكن ضمان سلامة الإشارة.
لذا، بالنسبة للمركبة، نحتاج إلى تحويلها إلى معايير الحافلة عالية السرعة مثل GMSL المناسبة للنقل لمسافات طويلة على المركبة، لذلك عادةً ما تتحول وحدة الكاميرا إلى الحافلة من خلال لوحة تسلسلية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الكابلات المحورية لتوفير الطاقة للوحدات ونقل بيانات الصورة.
العدسة البصرية: المسؤولة عن تركيز الضوء وتسليط الأشياء في مجال الرؤية على سطح وسط التصوير. اعتمادًا على متطلبات تأثير التصوير، قد تكون هناك حاجة إلى طبقات متعددة من العدسات البصرية. يمكن للمرشحات تصفية نطاقات الضوء غير المرئية للعين البشرية، مما يترك فقط نطاقات الضوء المرئية للمشهد الفعلي داخل مجال رؤية العين البشرية.
مستشعر الصورة: يمكن لمستشعرات الصور استخدام وظيفة التحويل الكهروضوئي للأجهزة الكهروضوئية لتحويل الصورة الضوئية على السطح الحساس للضوء إلى إشارة كهربائية تتناسب مع الصورة الضوئية. وهي مقسمة بشكل أساسي إلى نوعين: CCD وCMOS.
معالج إشارة الصور ISP: يستخدم بشكل أساسي بنية الأجهزة للمعالجة المسبقة لبيانات تنسيق RAW الخاصة بإدخال مصدر الصورة والفيديو بواسطة مستشعر الصورة، والتي يمكن تحويلها إلى YCbCr وتنسيقات أخرى. يمكنه أيضًا أداء مهام مختلفة مثل تغيير حجم الصورة، والتعرض التلقائي، وتوازن اللون الأبيض التلقائي، والتركيز التلقائي.
Serializer: ينقل بيانات الصورة المعالجة ويمكن استخدامه لنقل أنواع مختلفة من بيانات الصورة مثل RGB وYUV.
الموصل: يستخدم لتوصيل الكاميرا الثابتة.
تتمتع الكاميرات المثبتة على السيارة أيضًا بعمليات تصنيع ومتطلبات موثوقية أعلى من الكاميرات الصناعية والتجارية. نظرًا لحاجة السيارات إلى العمل في بيئات قاسية لفترة طويلة، تحتاج الكاميرات المثبتة على السيارة إلى العمل بثبات في ظروف العمل المعقدة مثل درجات الحرارة العالية والمنخفضة، والاهتزازات القوية، والرطوبة والحرارة العالية. المتطلبات الرئيسية لعملية التصنيع هي كما يلي:
متطلبات العملية للكاميرات المثبتة على السيارة
مقاومة درجات الحرارة العالية: يجب أن تكون الكاميرا المثبتة على السيارة قادرة على العمل بشكل طبيعي في نطاق -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية والتكيف مع التغيرات الجذرية في درجات الحرارة؛
المقاومة للزلازل: يمكن أن تولد المركبات اهتزازات قوية عند القيادة على طرق غير مستوية، لذلك يجب أن تكون الكاميرا الموجودة على متن السيارة قادرة على تحمل شدة الاهتزازات المختلفة؛
مضاد مغناطيسي: عندما تبدأ السيارة، ستولد نبضات كهرومغناطيسية عالية للغاية، مما يتطلب مضاد مغناطيسي عالي للغايةأداء؛
مقاومة للماء: يجب أن تكون الكاميرا محكمة الغلق لضمان الاستخدام العادي حتى بعد نقعها في مياه الأمطار لعدة أيام؛
عمر الخدمة: يجب أن تكون مدة الخدمة 8-10 سنوات على الأقل لتلبية المتطلبات؛
زاوية واسعة للغاية: يجب أن تكون الكاميرا المحيطية ذات الرؤية الجانبية ذات زاوية واسعة للغاية، مع زاوية عرض أفقية تبلغ 135 درجة؛
ديناميكية عالية: تتحرك السيارة بسرعة كبيرة، وتتغير بيئة الإضاءة التي تواجهها الكاميرا بشكل كبير ومتكرر، مما يتطلب أن يتمتع CMOS الخاص بالكاميرا بخصائص ديناميكية عالية؛
ضوضاء منخفضة: يمكنه منع الضوضاء بشكل فعال في ظروف الإضاءة المنخفضة، خاصة التي تتطلب كاميرات رؤية جانبية وخلفية لالتقاط الصور بوضوح حتى في الليل.
المعلمات الرئيسية لرأس الكاميرا الأمامية الذكية في السيارة
مسافة الكشف
المجال الأفقي لزاوية الرؤية
المجال الرأسي لزاوية الرؤية
الدقة - عندما تلتقط الكاميرا خطوطًا سوداء وبيضاء متباعدة بشكل متساوٍ، يكون الحد الأقصى لعدد الخطوط التي يمكن رؤيتها على الشاشة (أعلى من دقة الكاميرا). عندما يتجاوز عدد الخطوط هذا، يمكن رؤية منطقة رمادية فقط على الشاشة، ولا يمكن التمييز بين الخطوط السوداء والبيضاء.
الحد الأدنى من الإضاءة - يشير إلى حساسية مستشعر الصورة للضوء المحيط، أو الضوء الأغمق المطلوب للتصوير العادي بواسطة مستشعر الصورة. إنها قيمة إضاءة المشهد عندما يكون مستوى إشارة الفيديو بالكاميرا أقل من نصف السعة القصوى للإشارة القياسية عندما تنخفض إضاءة الهدف تدريجيًا.
نسبة الإشارة إلى الضوضاء - نسبة جهد إشارة الخرج إلى جهد الضوضاء الناتج في نفس الوقت؛
النطاق الديناميكي - النطاق الذي يمكن من خلاله لقيم السطوع للكائنات الأكثر سطوعًا وأغمقًا داخل نفس الإطار الذي تلتقطه الكاميرا عرض التفاصيل بشكل طبيعي. كلما زاد النطاق الديناميكي، زادت درجة عرض الكائنات الساطعة جدًا أو المظلمة جدًا بشكل طبيعي في نفس الشاشة.
ما هي المزايا مقارنة بتقنية الرادار
1) بالمقارنة مع رادار الموجات المليمترية، فإن المزايا الرئيسية للكاميرات الحالية هي:
التعرف على الأهداف وتصنيفها - في الوقت الحالي، لا يستطيع رادار الموجات المليمترية ثلاثي الأبعاد العادي اكتشاف ما إذا كانت هناك عوائق أمامك، ولا يمكنه تحديد حجم العوائق وفئتها بدقة؛ على سبيل المثال، أنواع مختلفة من التعرف على المسار، والتعرف على إشارات المرور، والتعرف على إشارات المرور؛
الكشف عن المساحة المسموح بها، وتقسيم الحدود الآمنة (المناطق الصالحة للقيادة) لحركة المركبات، وبشكل رئيسي تقسيم المركبات، وحواف جوانب الطريق العادية، وحواف الرصيف، والحدود المرئية بدون عوائق، والحدود غير المعروفة؛
القدرة على اكتشاف الأهداف المتحركة أفقياً، مثل كشف وتتبع المشاة والمركبات التي تعبر التقاطعات؛
تحديد المواقع وإنشاء الخرائط - أي التكنولوجيا. على الرغم من استخدام رادار الموجات المليمترية حاليًا، إلا أن التكنولوجيا أكثر نضجًا ولديها آفاق تطبيق أكبر؛
2) في نظام القيادة الأوتوماتيكية يكون رادار الليزر مشابهاً للكاميرا لكن مميزاته هي:
التعرف على إشارات المرور والتعرف على إشارات المرور
ميزة التكلفة والنضج العالي للخوارزميات والتقنيات
ارتفاع معدل التعرف على الأشياء
في الوقت الحاضر، تنقسم الكاميرات المثبتة على السيارة بشكل أساسي إلى خمس فئات بناءً على موقع تركيبها: كاميرات الرؤية الأمامية، وكاميرات الرؤية المحيطية، وكاميرات الرؤية الخلفية، وكاميرات الرؤية الجانبية، والكاميرات المدمجة.
كاميرا الرؤية الأمامية: مثبتة بشكل أساسي على الزجاج الأمامي لتحقيق الإدراك البصري ووظائف التعرف أثناء القيادة. يمكن تقسيمها إلى الكاميرا الرئيسية للرؤية الأمامية، وكاميرا الرؤية الأمامية ذات الزاوية الضيقة، وكاميرا الرؤية الأمامية ذات الزاوية الواسعة وفقًا لوظائفها.
الكاميرا الرئيسية الأمامية: تُستخدم هذه الكاميرا ككاميرا رئيسية في نظام ADAS الخاص بـ L2. زوايا مجال الرؤية بشكل عام هي 30 درجة، 50 درجة، 60 درجة، 100 درجة، و120 درجة، ومسافة الكشف بشكل عام 150-170 مترًا. تنسيق الإخراج للكاميرا.
كاميرا ذات زاوية واسعة ذات مظهر أمامي: تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذه الكاميرا في التعرف على الأشياء القريبة من المسافة، وتستخدم بشكل رئيسي في ظروف الطرق الحضرية والقيادة منخفضة السرعة والمشاهد الأخرى. تتراوح زاوية مجال رؤيتها بين 120 درجة -150 درجة، ومسافة الكشف حوالي 50 مترًا. وبعد التثبيت الواسع النطاق للعدسة بدقة 8 ميجابكسل في المركبات اللاحقة، لم يعد هناك حاجة لهذه الكاميرا.
كاميرا أمامية ذات زاوية ضيقة: الوظيفة الرئيسية لهذه الكاميرا هي التعرف على الأهداف مثل إشارات المرور والمشاة. بشكل عام، يتم استخدام العدسات ذات الزاوية الضيقة، ويمكن اختيار العدسات ذات الزاوية حوالي 30-40 درجة. وتكون وحدات البكسل الخاصة بهذه العدسة عمومًا هي نفس وحدات البكسل الموجودة في الكاميرا الرئيسية الأمامية. تعتمد الكاميرا زاوية ضيقة، وتتميز بكثافة بكسل أعلى ومسافة اكتشاف أبعد، ويمكنها بشكل عام اكتشاف ما يصل إلى 250 مترًا أو حتى مسافات أطول.
بعد تثبيت كاميرا بدقة 8 ميجابكسل، يمكن أن يصل مجال الرؤية للكاميرا الرئيسية الأمامية إلى 120 درجة، وهو ما قد لا تكون هناك حاجة إليه بعد الآن. مسافة الكشف حوالي 60 مترا.
الكاميرا المحيطة: يتم تركيبها بشكل أساسي حول جسم السيارة، وعادة ما تستخدم 4-8 كاميرات، والتي يمكن تقسيمها إلى كاميرا عين السمكة الأمامية، وكاميرا عين السمكة اليسرى، وكاميرا عين السمكة المواجهة لليمين، وكاميرا عين السمكة الخلفية. يستخدم لعرض وظيفة الرؤية البانورامية، بالإضافة إلى الإدراك البصري واكتشاف الأشياء مع دمج وظيفة ركن السيارة؛ مصفوفة الألوان شائعة الاستخدام بسبب الحاجة إلى استعادة الألوان.
كاميرا الرؤية الخلفية: يتم تثبيتها بشكل عام على صندوق السيارة، وذلك بشكل أساسي للمساعدة في ركن السيارة. تتراوح زاوية مجال الرؤية بين 120 و140 درجة، ومسافة الكشف حوالي 50 مترًا.
كاميرا الرؤية الأمامية الجانبية: مثبتة على العمود B أو مرآة الرؤية الخلفية للمركبة، ويكون مجال رؤية هذه الكاميرا بشكل عام 90 درجة -100 درجة، ومسافة الكشف حوالي 80 مترًا. وتتمثل الوظيفة الرئيسية لهذه الكاميرا في اكتشاف المركبات الجانبية والدراجات.
كاميرا الرؤية الجانبية والخلفية: يتم تركيبها بشكل عام على الرفرف الأمامي للسيارة، ويبلغ مجال رؤية هذه الكاميرا بشكل عام حوالي 90 درجة، وتبلغ مسافة الكشف أيضًا حوالي 80 مترًا. يتم استخدامه بشكل أساسي لتطبيقات المشهد مثل تغيير مسار السيارة والاندماج في الطرق الأخرى.
الكاميرا المدمجة: تستخدم بشكل أساسي لمراقبة حالة السائق وتحقيق تذكيرات بالتعب ووظائف أخرى.
من بينها، سعر كاميرات الرؤية الأمامية مرتفع نسبيًا، ويتراوح سعر السوق الحالي بين 300 و500 يوان؛ أسعار الكاميرات الأخرى حوالي 150-200 يوان.
ومن الخطة، يمكننا أن نرى أن جميع الكاميرات الثمانية مرتبطة بنظام القيادة، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بخطة القيادة الذاتية الخالصة التي تم الترويج لها دون الاعتماد على LiDAR. أكبر ميزة لهذه الخطة هي فعاليتها العالية من حيث التكلفة. وباستخدام كاميرا منخفضة التكلفة تم تطويرها ذاتيًا، تم تحقيق مستوى من القيادة الذاتية.
أكبر ميزة لهذا الحل، الذي يستخدم كاميرات متعددة، هي قابليته القوية للتوسع. في المرحلة المبكرة من التصميم، يجب زيادة تكاليف الأجهزة، ولكن في المرحلة اللاحقة، تتمتع وظيفة القيادة الذاتية الخاصة بها بتوافق جيد للغاية وقابلية للتوسع.
من خلال نموذج المستشعر هذا، تم تحقيق مستوى من وظيفة القيادة الذاتية مع تجربة جيدة، بما في ذلك القيادة الذاتية المميزة عالية السرعة (NGP) ووظيفة ركن السيارة بذاكرة موقف السيارات.
تمثل الفئة S حلول تصنيع المعدات الأصلية التقليدية، ويعتبر حل الكاميرا المجسمة ذات العينين أكبر ميزة لسيارة مرسيدس بنز الفئة S. بالمقارنة مع الكاميرات أحادية العين، يمكن للكاميرات ثنائية العين حساب حركة الهدف المكتشف الحالي في الإحداثيات X وY وZ، وتحديد وضعية الهدف المكتشف ونوعه، ويكون تأثير تجربة وظيفة ADAS من مرسيدس بنز على المستوى L2 هو أيضا أفضل من الاثنين الآخرين.
في تحليل حلول الكاميرا لنماذج السيارات ذات الإنتاج الضخم، وجدنا أنهم جميعًا يستخدمون كاميرات متوسطة إلى منخفضة البكسل لتحقيق وظائف القيادة الذاتية.
شركة Saitemei Security Electronics Co., Ltd. سلسلة صناعة كاميرات السيارات
تتضمن سلسلة صناعة كاميرات السيارات بشكل أساسي ثلاثة روابط رئيسية: المواد الأولية، والمكونات الوسطى، والمنتجات النهائية.
تُستخدم المواد الأولية مثل العدسات البصرية، والمرشحات، والأغشية الواقية لتصنيع مجموعات العدسات، بينما تُستخدم الرقائق لتصنيع شرائح CMOS ومعالجات إشارات DSP؛ قم بتجميع مجموعة العدسات المتوسطة وشرائح CMOS والمواد اللاصقة في وحدات، ثم قم بتعبئتها باستخدام معالجات إشارة DSP في منتجات الكاميرا.
في هذا المستوى من السلسلة الصناعية، يمكن للموردين الأساسيين بالفعل توفير منتجات كاميرات كاملة لعملاء المركبات النهائية أو عملاء الموردين من الدرجة الأولى. في سلسلة صناعة كاميرات السيارات، تشكل الكاميرات وخوارزميات البرامج معًا حلاً لكاميرات السيارات، والذي يتم تطبيقه على المركبات ذاتية القيادة.
في الوقت الحاضر، الشركات التي تتمتع بحصة سوقية كبيرة في سوق كاميرات السيارات جميعها من كبار الموردين العالميين للمكونات من الدرجة الأولى، ويغطي العملاء النهائيون بشكل أساسي شركات السيارات العالمية الكبرى.
يتمتع CMOS بأعلى نسبة قيمة إلى تكلفة في كاميرات السيارات، حيث تصل إلى 52%؛ تمثل تعبئة الوحدات 20% والعدسات البصرية 19%.
شريحة سيموس
CMOS (مستشعر CIS) هو الحل السائد للمكونات الحساسة للضوء في كاميرات السيارات. بالمقارنة مع مكونات CCD الحساسة للضوء، يتمتع CMOS بجودة تصوير أقل قليلاً، ولكنه منخفض التكلفة وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، مما يجعله مفضلاً على نطاق واسع في مجال كاميرات السيارات ذات متطلبات البكسل المنخفضة.
الهيكل الأساسي لأجهزة استشعار الصورة
ينقسم مستشعر الصورة إلى منطقة حساسة للضوء (Firecore)، وأسلاك ربط، ودائرة داخلية، وركيزة من المظهر. المنطقة الحساسة للضوء عبارة عن مصفوفة بكسل واحدة تتكون من عدة نقاط بكسل واحدة. عندما يتم تجميع الإشارات الضوئية التي يتم الحصول عليها من كل بكسل معًا، فإنها تشكل صورة كاملة.
رسم تخطيطي لشريحة CMOS
ونظرًا لزوايا الضوء المختلفة التي تدخل كل بكسل على حدة، تتم إضافة عدسة صغيرة على سطح كل بكسل على حدة لتصحيح زاوية الضوء، مما يسمح للضوء بالدخول إلى سطح العنصر الحساس للضوء عموديًا. هذا هو مفهوم الشريحة التي يجب الاحتفاظ بها ضمن نطاق انحراف طفيف عن العدسة
فيما يتعلق بهندسة الدوائر، فإننا ندمج مستشعر الصورة كصندوق مظلم يحول الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية. تشتمل المكونات الخارجية للصندوق المظلم عادةً على دوائر الطاقة والبيانات والساعة والاتصالات والتحكم والمزامنة. يمكن فهمه ببساطة على أنه يقوم Firecore بتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، والتي تتم معالجتها وترميزها بواسطة الدائرة المنطقية في الصندوق المظلم، ثم إخراجها من خلال واجهة البيانات.
نظرًا لأن عملية تصميم طبقة البكسل في شرائح CMOS تشبه الرقائق التناظرية، فإن هناك متطلبات عالية لعمليات التصنيع
الموردين الرئيسيين.
إن تكنولوجيا إنتاج وتصنيع CMOS عالية، ومن منظور السوق العالمية، فهي مشغولة حاليًا بشكل رئيسي من قبل الشركات ذات التمويل الأجنبي. من منظور المشهد التنافسي، تحتل Saitemei المركز الأول بحصة سوقية تبلغ 36%، تليها مباشرة شركة Huoxin Technology المحلية بحصة سوقية تبلغ 22%. ويمثل الموردون العالميون ما يزيد عن 65%، مع تركيز عالي على الصناعة. أصبحت المؤسسة المحلية Saitemei Security Electronics Co., Ltd. مؤسسة رائدة في هذا المجال.
