對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車來說，傳感器有很多種，而視覺傳感器“攝像頭”就屬于傳感器中價(jià)格相對(duì)便宜且功能很重要的一種，被稱為“智能汽車之眼”。今天小編先帶大家對(duì)攝像頭作一個(gè)基礎(chǔ)介紹。

01攝像頭定義

攝像頭(CAMERA或WEBCAM)又稱為電腦相機(jī)、電腦眼、電子眼等，是一種視頻輸入設(shè)備，它就像我們?nèi)说难劬σ粯?，可以將看到的真?shí)環(huán)境記錄，以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)。

說起攝像頭大家其實(shí)并不陌生，因?yàn)槲覀兩钪薪?jīng)常在使用，比如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電腦上的攝像頭，汽車上的攝像頭，還有馬路上交通違章攝像頭，小區(qū)、銀行和商場監(jiān)控?cái)z像頭等等。

02攝像頭原理

攝像頭一般具有視頻攝像和靜態(tài)圖像捕捉等基本功能，它借由鏡頭采集圖像（光信號(hào)）后，由攝像頭內(nèi)的感光組件電路及控制組件對(duì)圖像進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成電腦所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后借由并行端口或USB連接輸入到電腦后由軟件再進(jìn)行圖像還原。

攝像頭原理圖：機(jī)械工業(yè)出版社《自動(dòng)駕駛改變未來》

03攝像頭組件

攝像頭的主要組件有：

3.1鏡頭組

鏡頭組（lens），由光學(xué)鏡片、濾光片和保護(hù)膜等組成。

透鏡分兩類，有塑膠透鏡（Plastic）及玻璃透鏡（Glass）。

3.2圖像傳感器(ImageSensor)，可以分為兩類：CCD與CMOS傳感器。

CCD（ChargeCoupled Device）：電荷耦合器件，可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。一般是用于攝影攝像方面的高端技術(shù)元件。

CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）：中文學(xué)名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶-電）和P（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器。

CCD與CMOS傳感器，兩者都是利用感光二極管（photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。

簡單講CMOS的信號(hào)是以“點(diǎn)”為單位的電荷信號(hào)，而CCD是以“行”為單位的電流信號(hào)。

3.3 DSP芯片（數(shù)字信號(hào)處理器）

DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP的功能主要是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對(duì)由CMOS傳感器來的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，并把處理后的信號(hào)通過USB等接口傳到PC設(shè)備，是攝像頭的核心設(shè)備。

04攝像頭參數(shù)

4.1像素（Resolution）是由一個(gè)數(shù)字序列表示圖像中的一個(gè)最小單位。如下面四維圖新logo就是由一個(gè)個(gè)小方格子像素組成的。

4.2分辨率

分辨率是用于度量位圖圖像內(nèi)數(shù)據(jù)量多少的一個(gè)參數(shù)，表示成dpi（DotsPerInch,每英寸點(diǎn)或像素?cái)?shù)）。它是衡量攝像頭的一個(gè)重要指標(biāo)之一，通常來說攝像頭的最高分辨率越高（即像素點(diǎn)數(shù)量），拍攝出來的圖像品質(zhì)就越好。

方便了解，我們直觀對(duì)比一下最高分辨率對(duì)圖像的影響。

30萬像素CMOS的分辨率為640×480=307200像素；

100萬像素（720p）的分辨率為1280x720=921600像素；

200萬像素（1080p）的分辨率為1920x1080=2073600像素；

800萬像素是1080p的四倍面積，被稱為4K；

1600萬像素是1080p的8倍面積，被稱為8K。

仍以上面四維圖新logo為例，像素低的如左圖，像素高的如右圖，我們可以發(fā)現(xiàn)最高分辨率越高，像素?cái)?shù)越多，圖像越清晰。

4.3色域

色域（ColorGamut或ColorSpace）是對(duì)一種顏色進(jìn)行編碼的方法，也指一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的顏色的總和。最常用的兩種圖像格式是RGB24和I420。

RGB24：RGB即代表紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的顏色變化以及它們相互之間的疊加來得到各式各樣的顏色，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一。RGB24圖像每個(gè)像素用8bit（比特位）表示，RGB24一幀的大小size=width×heigth×3 Byte（字節(jié)）。最多可表現(xiàn)256級(jí)濃淡，從而可以再現(xiàn)256*256*256種顏色。

I420：是YUV格式之一，YUV模型是根據(jù)一個(gè)亮度(Y分量)和兩個(gè)色度(UV分量)來定義顏色空間。I420（即YUV標(biāo)準(zhǔn)格式4：2：0）的數(shù)據(jù)量是 size=width×heigth×1.5 Byte（字節(jié)）。

其它格式還有:RGB565，RGB444，YUV42等。

4.4自動(dòng)白平衡調(diào)整

定義：要求在不同色溫環(huán)境下，照白色的物體，屏幕中的圖像應(yīng)也是白色的。色溫表示光譜成分，光的顏色。色溫低表示長波光成分多。當(dāng)色溫改變時(shí)，光源中三基色(紅、綠、藍(lán))的比例會(huì)發(fā)生變化，需要調(diào)節(jié)三基色的比例來達(dá)到彩色的平衡。

4.5彩色深度

反映對(duì)色彩的識(shí)別能力和成像的色彩表現(xiàn)能力，實(shí)際就是A/D轉(zhuǎn)換器的量化精度，是指將信號(hào)分成多少個(gè)等級(jí)。常用色彩位數(shù)(bit)表示。彩色深度越高，獲得的影像色彩就越艷麗動(dòng)人。市場上的攝像頭均已達(dá)到24位，有的甚至是32位。

4.6圖像噪音

指的是圖像中的雜點(diǎn)干擾。表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點(diǎn)。如下圖中紅色方框中的黃色像素點(diǎn)即為圖像噪音。

圖像噪音樣式

4.7視角

鏡頭中心點(diǎn)到成像平面對(duì)角線兩端所形成的夾角就是鏡頭視角，對(duì)于相同的成像面積，鏡頭焦距越短，其視角就越大。這個(gè)與人的眼睛成像是相同的，我們可以試著將手掌（如下圖黃色方框）放于眼前正前方10厘米處和30厘米處，10厘米時(shí)的視角（藍(lán)色線夾角）大于30厘米的視角（橘黃色線夾角）。

相同成像面積時(shí)的鏡頭視角圖

4.8幀率

幀率FPS(FramesPer Second)是指畫面每秒傳輸幀數(shù)，通俗來講就是指動(dòng)畫或視頻的畫面數(shù)，即每秒拍攝了多少張照片。比如我們目前看到的大部分電影都是采用24fps（或者23.98fps）拍攝和放映，也就是每秒拍攝/放映24張照片。

五、攝像頭在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用

上述說了這么多攝像頭的原理和基礎(chǔ)參數(shù)，那么攝像頭是如何幫助自動(dòng)駕駛工作的呢？

簡單來說，攝像頭就是扮演了“車的眼睛”。

我們以前也提過，自動(dòng)駕駛其實(shí)就是讓車擁有人腦的工作，而駕駛過程中，我們?nèi)藭?huì)根據(jù)看到的景象進(jìn)行感知，同時(shí)形成認(rèn)知并傳遞給大腦，大腦會(huì)根據(jù)感知到的結(jié)果進(jìn)行分析和決策，從而讓手和腳去操作。

聽起來挺簡單的原理，其實(shí)是個(gè)十分復(fù)雜的過程，舉個(gè)例子，比如說我們打開搜索網(wǎng)站搜索“桌子”，會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多種的樣子。

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，不管桌子是方是圓，是黑是白，那么我們?nèi)祟悘?qiáng)大的大腦會(huì)迅速地知道它是一張桌子。

但如果換作計(jì)算機(jī)，我們就需要通過攝像頭作為輸入，通過AI算法讓汽車知道這是什么。

結(jié)語：

在ADAS層面，其實(shí)我們目前汽車的一些功能如行人探測與防撞預(yù)警、車道保持和偏離預(yù)警等功能都有攝像頭的參與，而目前針對(duì)L3及以上自動(dòng)駕駛的功能，攝像頭更是重要的傳感器之一。

原文標(biāo)題：新·知丨自動(dòng)駕駛傳感器那點(diǎn)事之 攝像頭基礎(chǔ)介紹

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