車載攝影機鏈路技術挑戰

作者: Joe Triggs 、Derek Burke,ADI 應用經理

攝影機系統與攝影機鏈路技術已經廣泛地使用在越來越多的車載產品中,其主要用來協助駕駛人操駕車輛,以及提升駕駛體驗。傳統的後視攝影機系統僅配備一部攝影機,而這類產品已逐漸被配備4部、甚至更多攝影機的SVS所超越,因為SVS能提供環繞全車的360度無死角視野。此外,為提升駕駛體驗,攝影機內部也納入許多應用…

攝影機系統與攝影機鏈路技術已經廣泛地使用在越來越多的車載產品中,其主要用來協助駕駛人操駕車輛,以及提升駕駛體驗。傳統的後視攝影機(RVC)系統僅配備一部攝影機,而這類產品已逐漸被配備4部、甚至更多攝影機的環景系統(SVS)所超越,因為SVS能提供環繞全車的360度無死角視野。包括行車記錄器、盲點監視、夜視、路標辨識、車道偏離監視、主動調節式巡航控制、緊急煞車,以及低速碰撞規避系統等,這些功能都能減輕駕駛的負擔。為提升駕駛體驗,攝影機內部也納入許多應用,用來執行包括駕駛生命跡象監視、乘客偵測,以及人機介面(HMI)的手勢辨識操作等功能。此外,攝影機系統的諸多發展,也讓汽車製造商重新思索車身輪廓的設計,著手換掉像是兩側後視鏡等傳統配備。

圖1 現代車款搭載眾多攝影機。

現今許多車款仍搭載採用標準解析度(SD)RVC後視鏡攝影機。SD攝影機系統經常部署在許多汽車應用,至今已超過十年的歷史,從旗艦車款到大眾平價車系,藉以配合各國法規,以及客戶的期待。SD視訊解決方案為汽車OEM提供許多寶貴的利益:其成熟技術帶來的低風險,多年來長久用在消費電視,加上低頻寬的要求,使它能採用低廉線材與連接器,並維持可控制的幅射值,另外還有發展成熟的視訊編碼器與解碼器,可支援各種尚未發展成熟的視訊輸入訊號。

如今消費裝置採用眾多超高解析度(UHD)顯示器,而其也帶動了各種車款需要更大、且更高解析度的螢幕。SD視訊解決方案雖然在較小的螢幕應付自如,但現今的消費者見識過較大螢幕後,立即就會嫌棄SD方案(例如缺少高頻率的細節,因為SD視訊因有限頻寬導致在從調變訊號分離出亮度與色度訊號時出現的串色瑕疵)。轉移至更大尺吋螢幕的趨勢,促使汽車OEM必須將攝影機架構升級到高解析度規格,這方面涉及到一項關鍵的元素,就是選用的攝影機鏈路技術必須將影像資料從攝影機傳送到接收單元(例如ECU或顯示器)。

在針對某項應用挑選新攝影機鏈路技術時,第一個考量的特性就是需要的頻寬。攝影機系統對於頻寬需求的差距甚大,傳統RVC系統採用SD視訊解析度,僅須很低的頻寬(例如6 MHz)。而SVM車側影像系統則一般採用低速、低更新率(例如30MHz)的規格來增加曝光,因此也限制了對頻寬的需求。後視鏡替代系統則須在車輛所有可能行駛速度下正常運作,因此必須採用更高的更新率(例如60Hz或更高)藉以將延遲減至最低,因而需要提高頻寬。另外自主駕駛應用的前視攝影機則需要超高解析度(例如1,800萬畫素以上),因此需要極高的頻寬。現今許多攝影機鏈路技術提供範圍極大的頻寬能力——挑選過程更須考量到攝影機系統,以及整部車輛的許多因素。

影像品質

挑選過程中要考量的一項關鍵的因素,就是攝影機鏈路技術的影像品質。在傳送視訊資料,如果攝影機鏈路技術無法提供足夠的頻寬,就可能導致損及影像完整性或甚至丟失影像。攝影機鏈路技術造成的影像品質減損,可以透過量測影像銳利度與動態範圍等參數來衡量。

線組屬性

現代車款的整個線組或線束,係其中一個最複雜、重量最重且難以裝備的零件。一般車款都裝有超過1公里的線組,因此線材方面須考量許多因素。對於具有較高頻寬要求的應用(例如自駕車的超高解析度前視攝影機)就需要高品質、重量較高的線組。線組重量近年來成為車廠重視的焦點,因為包括燃油車與電動車款都希望把車體做得更輕且更有效率。某些應用還涉及到車內的複雜佈線,因此線材支援的彎曲半徑就相當重要。某些應用中,攝影機裝在有鉸鏈的車體組件上(例如裝在車門的SVM系統,或是裝在車廂上蓋的RVC與SVM系統),因此線材耐受持續開關操作的強固性就至關重要。另外在一些應用中,線材必須暴露在各種惡劣環境,因此還須具備防水功能。

不論選擇何種攝影機鏈路技術,每一公分的線材都需要成本,因此累積下來整條線組的成本就成為一部車成本佔比最高的前三種零件之一。

傳統SD視訊解決方案由於對頻寬要求甚低,因為可以採用低價的輕型線材。在許多情況會採用無遮蔽雙絞線(UTP),類似CAN這類低速控制鏈路的SD視訊解決方案採用的線材。

連接器

線束與其連結模組的另一項關鍵元素,就是電氣接頭。除了將線束連到連接模組、感測器、或馬達,連接器還用來連結線束中多段纜線(線內連結器)。線內連接器大量用在汽車業,用來簡化線組的製作、裝配,以及保修流程。舉例來說,在極靠近攝影機的位置裝上線內連接器,一旦攝影機損壞,就可直接拆換攝影機,而且不會影響到車內線組的其餘部分。

連接器的選用,和上述選用線材一樣,都會對攝影機系統的整體成本產生重大影響。高解析度系統一般都需要能支援較高頻寬的連接器,因此成本也較為昂貴。

連接器其他考量因素還包括連結器在電路板與ECU上佔用的空間,不論連接器是否密封,或是否需要塗上特定顏色。

傳統SD視訊解決方案讓業者能在攝影機或ECU或音響設備端(HU)採用低成本連接器解決方案。舉例來說,SD標準RVC系統的影像訊號通常會和其他訊號透過多針腳連接器一起傳送到ECU或HU設備端(例如控制網路及需要的電源訊號);而數位鏈路通常需要專屬的連接器,因而對ECU的電路板,以及封裝構成許多限制。

車輛架構

在挑選合適攝影機鏈路技術方面,車輛本身的架構也有許多層面的影響。在標準車輛中,線組的長度最高可到數公尺,而消費者偏愛更大的越野休旅車(SUV)其線組長度則是逐漸增加。許多車輛架構額外增加許多功能,對線組長度形成許多挑戰,例如拖車倒車輔助系統,用來協助拖車的倒車和操駕。商用車輛則是另一個架構挑戰,這類車輛搭載的攝影機系統促使線組長度延伸到極限。大多數攝影機鏈路技術都能支援這些車輛架構與功能,但某些架構則需要額外的模組,例如中繼器或轉發器來支援冗長的線組。

電磁相容(EMC)

在挑選攝影機鏈路技術過程中,另一項關鍵因素則是線組解決方案的電磁幅射,以及抗擾的強固性,因為線組在車內會形成天線,衍生的訊號干擾會導致嚴重的後果。由於車內搭載越來越多電機與電子系統,這些系統也必須能相容地並存運作。單一系統(例如RVC系統)不能影響或被其他系統(例如電動車的動力馬達或電動座椅機構)所干擾,不論在何者啟動的狀態下都不允許相互干擾。為此,在挑選鏈路技術解決方案之前,必須考量到其訊號幅射,以及抗擾力方面的效能。

為確保內部或外部的串擾干擾源不會干擾到車內系統,許多車廠會測試所有系統是否符合相關的EMC標準。這些測試首先會在系統層面執行(例如後視攝影機或SVS),這種測試所費不貲、極為耗時且流程困難,但也能確保每個模組在整合到車內之前已達到高強固性。在完成系統層級的測試後,車廠還須檢驗系統運行與效能,包括測試系統在面臨大量高功率幅射訊號(幅射抗擾力)正常運行的能力。另外有些車廠還會量測車輛所有天線的接收頻帶(例如FM收音機、GPS、手機、Wi-Fi等),以確保沒有干擾訊號。要能排除整車的EMC問題,成本極為昂貴且相當費時。

其他要求

除了上述的要求外,在挑選攝影機鏈路技術時還須考量其他諸多要求,例如可用的控制通道、畫素精準度,以及ASIL安規等級等。

歸納

在設計攝影機系統過程中,挑選攝影機鏈路技術會受到眾多因素影響。而選中的攝影機鏈路技術也會影響到車輛本身的許多層面,傳統RVC系統建構在SD視訊技術的基礎上,能為汽車OEM提供一種高度可靠且成本低廉的方法,用來在車內傳送視訊訊號。然而在近幾年,消費者越來越難以接受在大尺吋螢幕上觀看SD標準解析度的影片。各國當局法規,以及消費者的期待,促使新款車種搭載的攝影機數量持續增加。

這些趨勢與發展,促成許多攝影機鏈路技術應用在現今各類車戴攝影機系統。現今的攝影機鏈路技術從傳統SD規格的RVC後視攝影機系統採用的SD視訊技術(例如CVBS類比訊號)、高解析度類比鏈路技術、一直到高解析數位鏈路技術。

SD 視訊技術僅能支援低頻寬應用,但卻要求極低成本的線材與連接器。數位鏈路技術除了支援高頻寬應用,還提供許多優點,例如畫素精準度,但通常須採用較昂貴的線材及連接器。高解析類比鏈路技術則提供兩種前述解決方案的折衷——透過低成本線材與連接器傳送高解析視訊。

C2B正是這種高解析類比鏈路技術,其能為汽車OEM與一線供應商提供具吸引力的方案,融合EMC電磁相容的高解析視訊功能,且僅須採用低成本的線材與連接器。

C2B 車載攝影機鏈路技術

C2B是ADI推入市場的一種高解析類比視訊傳送技術。一開始就設計成汽車攝影機鏈路技術的C2B能從發送器將HD高解析度視訊送到接收器,最高解析度可達200萬畫素(1,920×1,080)。C2B設計用來發揮無遮蔽雙絞線與連接器的最高頻寬,也正是傳統SD視訊系統採用的配備,C2B創新的等化器(equalizer)架構讓它無須轉送就能支援30公尺的線組。為確保C2B符合所有車規標準,它還針對EMC行動多項最佳化(最佳化的訊號結構、反交漣濾波器、頻譜成形濾波器),並承襲ADI汽車方案供應商的高度聲譽。

C2B包含一個控制通道,其能傳送最高400kHz的I2C訊號、最多4個GPIO訊號,以及攝影機模組的岔斷訊號。這樣的規劃讓系統架構除了能納入本地端組態(攝影機模組內的微控制器(MCU),以及ECU/HU的MCU),還能容納遠端組態(ECU/HU內的MCU,這些單元都內含攝影機模組)。4個GPIO用來在C2B鏈路上傳送靜態(static)訊號。另外還提供兩個岔斷訊號,讓C2B發送器能和C2B接收器傳遞狀態資訊。此外,C2B還提供CRC檢查機制,用來控制通道資料,以及在發生問題時自動啟動重傳。

圖2 C2B 架構簡圖。

C2B為汽車客戶提供許多加值功能,包括如線組診斷(蒐集有關線組對電池短路與對地短路事件的資訊)、畫格數量的蒐集/產生/解碼/傳輸,藉以提供掌握傳輸資料完整性的訊息。

針對汽車應用進行定義與設計的C2B運用多個模塊,藉以確保在使用低成本無遮蔽雙絞線,以及低成本無遮蔽連接器的情況下仍能符合電磁相容方面的規範。這些模塊包括因應阻抗失配的回音消除、寬頻共模拒斥(使用無遮蔽雙絞線時至關重要),以及輸出訊號的頻譜成形,藉以降低幅射強度。C2B已經通過測試並相容於各種國際性裝置層級EMC標準,以及國際性系統層級EMC標準(CISPR 25 class 5 [幅射]、ISO 11452-2/ISO 11452-4/ISO 11452-9、ISO 7637-3 [抗擾]、ISO 10605 [靜電放電])。

這些特色使得C2B成為吸引兩類汽車製造商的理想解決方案:其一,是仍在使用標準解析度攝影機解決方案並尋求低風險升級管道的車廠,另一類車廠則是已經換用數位鏈路技術攝影機解決方案,其希望尋找能降低成本的途徑來替換高解析度類比鏈路技術。

C2B在應用層面提供遠勝其他替代技術的系統成本優勢,其中包括後視攝影機、環景攝影機系統、電子後視鏡(e-mirror),以及佔位乘客監視系統。C2B由獨立機構驗證的視覺無損特性,不僅提供接近數位鏈路技術的高解析效能,還帶來大幅節省的系統層面成本。

 

圖3 比較數位鏈路與C2B鏈路擷取的影片畫格。

圖4 比較數位鏈路與C2B鏈路擷取的影片畫格。

總結

C2B為汽車製造商提供具有高度吸引力的鏈路技術解決方案,其能用來促成現有SD標準解析度攝影機解決方案升級至HD高解析度,或是促成採用數位鏈路技術的系統進行升級,藉以降低系統成本。

 

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