【導讀】汽車(chē)制造商需要探索新的方法來(lái)讓自己脫穎而出。其中的一項重點(diǎn)就是汽車(chē)內部的新功能?，F在，全新的車(chē)規級3D飛行時(shí)間（ToF）攝像頭幾乎和智能手機的ToF攝像頭一樣小，這使得它們可以集成到汽車(chē)內部，并以合理的成本實(shí)現豐富的車(chē)內應用，包括無(wú)縫訪(fǎng)問(wèn)私人數據和駕駛員監控系統，以及智能安全氣囊等。
過(guò)去，駕駛性能是決定一款車(chē)型銷(xiāo)量好壞的主要因素。強勁的發(fā)動(dòng)機、動(dòng)感操控和低油耗是汽車(chē)制造商用來(lái)吸引客戶(hù)的賣(mài)點(diǎn)。但時(shí)代在變化，消費者在選購新車(chē)時(shí)愈發(fā)關(guān)注類(lèi)似于智能手機的功能和舒適性。此外，監管機構越來(lái)越高的安全性要求，正在驅動(dòng)汽車(chē)制造商愈發(fā)關(guān)注車(chē)內設計。
3D數據的使用，是實(shí)現未來(lái)車(chē)內設計，并讓汽車(chē)制造商脫穎而出的一大特點(diǎn)。而較為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟的3D數據采集方法要數使用飛行時(shí)間（ToF）攝像頭。這種攝像頭通過(guò)調制紅外光，照射感興趣區域，然后檢測反射光，并將其與發(fā)射信號進(jìn)行比較。這就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)2D灰度圖像，同時(shí)，從相位差中獲得每個(gè)像素的距離信息，從而獲得場(chǎng)景的三維信息（見(jiàn)圖1）。
圖1：iToF技術(shù)原理
2D灰度圖與3D深度信息均由紅外光獲得
這種方法通常被稱(chēng)為間接飛行時(shí)間（iToF）。與傳統攝像頭不同，iToF在所有環(huán)境光條件下（例如：夜間、強烈的陽(yáng)光下和光影頻繁交替的馬路上），都可以提供高度可靠的3D數據，而不會(huì )受到陰影和過(guò)曝的影響。相比其他深度傳感技術(shù)，iToF還具有其他優(yōu)勢：ToF攝像頭模塊設計簡(jiǎn)單堅固，無(wú)需任何機械基線(xiàn)；攝像頭校準速度快，易于可靠地大規模生產(chǎn)；應用處理器的計算負載相對較小。
監控駕駛員
將ToF傳感器置于A(yíng)柱、方向盤(pán)或組合儀表中，便可用于駕駛員監控系統（DMS）。
這些系統會(huì )觀(guān)察駕駛員的情況，并在駕駛員注意力分散或出現疲勞跡象時(shí)發(fā)出警告?，F在，這些系統越來(lái)越多地被安裝在車(chē)中，以滿(mǎn)足最新的新車(chē)評估計劃（NCAP）的要求。到2029年，預計50%的車(chē)輛將配備 DMS，基于攝像頭的DMS市場(chǎng)規模將達到25億美元（見(jiàn)圖2）。
如今，標準要求（駕駛員注意力、注視區域分割、注意力分散或疲勞）通常由2D攝像頭系統監控。但只要納入第三個(gè)維度，就會(huì )涌現全新的創(chuàng )新應用，“車(chē)輪上的智能手機”和“駕駛員成為乘員”等愿景將成為現實(shí)（見(jiàn)圖3）。
圖2：未來(lái)幾年，基于攝像頭的駕駛員監控系統將逐漸邁入市場(chǎng)
圖3：未來(lái)，車(chē)內設計將成為汽車(chē)制造商之間的一項重要差異化因素
基于ToF的DMS是較為經(jīng)濟高效的選擇。在該系統中，用于DMS功能的同一個(gè)ToF攝像頭可以用于實(shí)現安全、防欺詐的面部驗證，就像許多智能手機和智能門(mén)鎖那樣。該算法使用2D紅外圖像進(jìn)行面部識別，并使用3D數據來(lái)避免任何類(lèi)型的欺騙攻擊。如果沒(méi)有3D數據，一張簡(jiǎn)單的照片就足以騙過(guò)面部識別算法；而3D數據可以立即阻止這種企圖（參見(jiàn)：《3D攝像頭如何防止面部識別欺詐》）。
但是，為什么需要在汽車(chē)上進(jìn)行3D面部認證呢？隨著(zhù)消費者對智能手機、智能手表、智能電視和其他智能設備所提供的便利性愈發(fā)習以為常，他們期望汽車(chē)也能帶來(lái)越來(lái)越多的便利。這意味著(zhù)無(wú)論您身在何處（哪怕在智能汽車(chē)中），都可以無(wú)縫地訪(fǎng)問(wèn)私人數據和云服務(wù)，例如：流媒體音樂(lè )。
而這些新服務(wù)也需要身份驗證，例如：在公共充電站給電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)實(shí)現輕松支付。當需要對某個(gè)操作進(jìn)行身份驗證時(shí)，特別是那些敏感交易，就必須具備安全性，而這可以通過(guò)3D數據來(lái)實(shí)現。但也有一些不太敏感的面部識別應用。以個(gè)性化為例，它能使汽車(chē)檢測到剛剛是哪位駕駛員進(jìn)入了車(chē)輛，從而加載適當的設置。
安全與便利應用
汽車(chē)一旦上路，3D數據還可以用來(lái)更加精確地確定駕駛員眼睛和頭部的位置。這意味著(zhù)，抬頭顯示器的投影也將更加適應駕駛員的情況。
但DMS并非ToF攝像頭的唯一用途。后視鏡附近的寬視野ToF攝像頭可實(shí)現完整的乘員監控系統（OMS），為自動(dòng)駕駛過(guò)程中的所有必要任務(wù)提供支持，為手握方向盤(pán)檢測和自動(dòng)駕駛接管行為鋪平了道路。車(chē)輛接管駕駛時(shí)，駕駛員可以大幅改變姿勢，甚至躺臥。為確保駕駛員的安全，車(chē)輛安全系統必須適應駕駛員的新姿勢。例如，智能安全氣囊或安全帶需要了解乘員的精確位置。ToF攝像頭通過(guò)準確的3D身體模型和實(shí)時(shí)身體跟蹤提供此類(lèi)信息。于是，哪怕駕駛員在L3和L4自動(dòng)駕駛中享受了更多的“自由”，其被動(dòng)安全依然有保障。
3D傳感技術(shù)的應用遠不止跟蹤運動(dòng)，它還可以輕松實(shí)現乘員檢測和分類(lèi)。這提供了準確的尺寸和重量估計，可以取代現有的座椅重量測量系統。同樣，ToF還支持兒童存在檢測（CPD）系統，該系統正逐步成為一項強制性要求。
ToF還提供全新的便利性應用。OMS的ToF傳感器可以跟蹤乘員的脊柱位置，從而提供健康座椅位置建議、激活按摩座椅或提供健身提示等選項，以便在長(cháng)時(shí)間的乘坐中，稍事休息，放松背部。
ToF攝像頭也可以實(shí)現手勢控制，讓乘員可以從不同的座椅位置與大屏幕交互。同時(shí)，車(chē)輛可以區分駕駛員和乘員的輸入。但同樣，其追蹤并不限于手部動(dòng)作，還可以擴展到整個(gè)身體和動(dòng)作。這使得智能且直觀(guān)的車(chē)內照明成為可能，例如：只照亮當前的感興趣區域。這顯示了ToF技術(shù)的巨大優(yōu)勢。雖然某些應用也可以通過(guò)其他（甚至可能更便宜的）傳感器來(lái)實(shí)現，但僅僅一個(gè)ToF傳感器就可以同時(shí)提供多種不同的功能。如上所述，ToF可以實(shí)現全新的應用，優(yōu)化車(chē)內現有的系統，甚至免去其他傳感器，以降低總成本。
首批采用ToF傳感器的車(chē)輛已經(jīng)上路
寶馬是利用ToF傳感器進(jìn)行手勢控制的先驅?zhuān)幻焚惖滤挂舱诶眠@項技術(shù)，提供便利性功能。在中國，許多新的電動(dòng)汽車(chē)初創(chuàng )公司正在依賴(lài)ToF傳感器進(jìn)行DMS和面部識別。這項技術(shù)已經(jīng)在A(yíng)ITO車(chē)型中得到了應用，預計其他各大汽車(chē)制造商將于明年推出更多采用該技術(shù)的車(chē)型。因此，這項技術(shù)已經(jīng)打入了汽車(chē)內部。
3D攝像頭如何防止面部識別欺詐
面部識別算法在這一點(diǎn)上相當成熟。特別是在智能手機中，該技術(shù)現得到廣泛的應用。但研究（例如：德國雜志Computer Bild Q1/20的研究）表明，許多智能手機很容易被騙：25部智能手機中有20部可以被一張簡(jiǎn)單的打印照片解鎖。只有配備3D深度傳感器的智能手機才能區分真實(shí)的面部和照片。這使得ToF成為了為汽車(chē)駕駛員監控系統添加安全面部認證的理想技術(shù)。
英飛凌與Jungo Connectivity合作，展示了與強大的反欺詐面部認證功能相結合的駕駛員監控系統：該系統基于Jungo的人工智能車(chē)內感應解決方案CoDriver和英飛凌的REAL3? ToF圖像傳感器。
圖4：3D ToF也適用于近距離車(chē)外感應
ToF也為車(chē)輛外部帶來(lái)了全新的可能性（見(jiàn)圖4）。如上文所述，面部認證可以用來(lái)解鎖車(chē)輛。為此，我們在B柱中安裝了ToF模塊。
能夠自動(dòng)開(kāi)合的電動(dòng)車(chē)門(mén)，需要通過(guò)傳感器來(lái)確保沒(méi)有障礙物擋道。對此，ToF傳感器可以提供所需的高精度數據。對于自動(dòng)泊車(chē)，ToF傳感器可提供關(guān)于路緣石、柱子等物體的位置和大小的準確數據。
當然，ToF攝像頭模塊是一個(gè)復雜的系統：它必須針對各自的車(chē)輛和應用進(jìn)行定制，并且每個(gè)模塊都必須進(jìn)行校準。所使用的激光必須得到電氣保護和機械保護，以便時(shí)刻確保乘員的眼部安全。數據處理同樣不可小覷。在汽車(chē)應用中，ToF模塊與所有其他部件一樣，必須滿(mǎn)足特定的標準。例如：智能安全氣囊應用就需要符合包括ISO 26262在內的功能安全要求。
世界首款通過(guò)ISO 26262認證的ToF傳感器
英飛凌是首家提供符合ISO 26262 ASIL-B功能性安全要求的高分辨率車(chē)規級ToF圖像傳感器的公司。ISO 26262 ASIL-B標準定義了功能安全領(lǐng)域的最新技術(shù)水平。車(chē)內任何可能影響乘員安全的器件都必須符合該標準。
在通過(guò)該標準的器件中，英飛凌REAL3? IRS2877A(S) ToF圖像傳感器就是其中的一個(gè)。它基于第五代像素技術(shù)，已經(jīng)過(guò)了智能手機的實(shí)踐檢驗（IRS2877C）。有了這款新傳感器，鏡頭尺寸再度大幅縮小，像素圈僅為4mm（0.25英寸），這使得鏡頭和智能手機的攝像頭一樣小。同時(shí)，它還具有高達640 × 480像素（VGA）的系統分辨率。
這是一款高度集成的解決方案，每個(gè)像素都具有背光抑制功能（所以，圖像傳感器完全不受陽(yáng)光的干擾）、集成了保護人眼的安全電路，并采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電源設計，有助于實(shí)現高效的（尺寸和成本）ToF攝像頭模塊設計。整個(gè)器件采用標準的光學(xué)球狀引腳柵格陣列（BGA）封裝，適用于標準的焊接工藝。
總結
3D深度數據讓一切變得與眾不同：ToF解決方案表明，合規與創(chuàng )新并不矛盾。僅一個(gè)傳感器就可以滿(mǎn)足歐盟的相關(guān)法規標準和NCAP DMS的功能要求（包括頭部跟蹤、閉眼檢測和凝視區域分割），同時(shí)通過(guò)安全的3D面部認證增加了新的功能和服務(wù)。這開(kāi)辟了一個(gè)無(wú)縫連接的時(shí)代。此外，基于ToF的乘員監控系統將“駕駛員成為乘員”的愿景化為可能，例如，在車(chē)輛自動(dòng)駕駛時(shí)，駕駛員可以改變姿勢，甚至躺臥。
英飛凌擁有一個(gè)強大的合作伙伴生態(tài)系統，包括：模塊制造商、一級客戶(hù)和應用軟件專(zhuān)家。該公司在消費類(lèi)、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應用中，也有著(zhù)不錯的ToF傳感器成績(jì)。英飛凌與開(kāi)發(fā)合作伙伴pmdtechnologies一起，提供了一個(gè)完整的解決方案，包括復雜的深度算法、深度數據偽影檢測和校正、深度軟件支持，以及先進(jìn)、快速并經(jīng)過(guò)大量驗證的校準和測試設置。
英飛凌是首家提供符合ISO 26262 ASIL-B功能安全要求的高分辨率車(chē)規級ToF圖像傳感器的公司。
英飛凌的ToF圖像傳感器是全球第一款通過(guò)ISO 26262 ASIL-B標準認證的3D ToF圖像傳感器，可應對當前和未來(lái)的功能安全應用。
英飛凌還是車(chē)內傳感器領(lǐng)域的一站式服務(wù)提供商，除了ToF傳感器外，還提供毫米波雷達和硅麥克風(fēng)等其他傳感器。
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