【導(dǎo)讀】汽車制造商需要探索新的方法來讓自己脫穎而出。其中的一項(xiàng)重點(diǎn)就是汽車內(nèi)部的新功能。現(xiàn)在，全新的車規(guī)級3D飛行時(shí)間（ToF）攝像頭幾乎和智能手機(jī)的ToF攝像頭一樣小，這使得它們可以集成到汽車內(nèi)部，并以合理的成本實(shí)現(xiàn)豐富的車內(nèi)應(yīng)用，包括無縫訪問私人數(shù)據(jù)和駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，以及智能安全氣囊等。
過去，駕駛性能是決定一款車型銷量好壞的主要因素。強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)感操控和低油耗是汽車制造商用來吸引客戶的賣點(diǎn)。但時(shí)代在變化，消費(fèi)者在選購新車時(shí)愈發(fā)關(guān)注類似于智能手機(jī)的功能和舒適性。此外，監(jiān)管機(jī)構(gòu)越來越高的安全性要求，正在驅(qū)動(dòng)汽車制造商愈發(fā)關(guān)注車內(nèi)設(shè)計(jì)。
3D數(shù)據(jù)的使用，是實(shí)現(xiàn)未來車內(nèi)設(shè)計(jì)，并讓汽車制造商脫穎而出的一大特點(diǎn)。而較為簡單和經(jīng)濟(jì)的3D數(shù)據(jù)采集方法要數(shù)使用飛行時(shí)間（ToF）攝像頭。這種攝像頭通過調(diào)制紅外光，照射感興趣區(qū)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，從而獲得場景的三維信息（見圖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
這種方法通常被稱為間接飛行時(shí)間（iToF）。與傳統(tǒng)攝像頭不同，iToF在所有環(huán)境光條件下（例如：夜間、強(qiáng)烈的陽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(shù)據(jù)，而不會(huì)受到陰影和過曝的影響。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(shè)計(jì)簡單堅(jiān)固，無需任何機(jī)械基線；攝像頭校準(zhǔn)速度快，易于可靠地大規(guī)模生產(chǎn)；應(yīng)用處理器的計(jì)算負(fù)載相對較小。
監(jiān)控駕駛員
將ToF傳感器置于A柱、方向盤或組合儀表中，便可用于駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）。
這些系統(tǒng)會(huì)觀察駕駛員的情況，并在駕駛員注意力分散或出現(xiàn)疲勞跡象時(shí)發(fā)出警告。現(xiàn)在，這些系統(tǒng)越來越多地被安裝在車中，以滿足最新的新車評估計(jì)劃（NCAP）的要求。到2029年，預(yù)計(jì)50%的車輛將配備 DMS，基于攝像頭的DMS市場規(guī)模將達(dá)到25億美元（見圖2）。
如今，標(biāo)準(zhǔn)要求（駕駛員注意力、注視區(qū)域分割、注意力分散或疲勞）通常由2D攝像頭系統(tǒng)監(jiān)控。但只要納入第三個(gè)維度，就會(huì)涌現(xiàn)全新的創(chuàng)新應(yīng)用，“車輪上的智能手機(jī)”和“駕駛員成為乘員”等愿景將成為現(xiàn)實(shí)（見圖3）。
圖2：未來幾年，基于攝像頭的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)將逐漸邁入市場
圖3：未來，車內(nèi)設(shè)計(jì)將成為汽車制造商之間的一項(xiàng)重要差異化因素
基于ToF的DMS是較為經(jīng)濟(jì)高效的選擇。在該系統(tǒng)中，用于DMS功能的同一個(gè)ToF攝像頭可以用于實(shí)現(xiàn)安全、防欺詐的面部驗(yàn)證，就像許多智能手機(jī)和智能門鎖那樣。該算法使用2D紅外圖像進(jìn)行面部識別，并使用3D數(shù)據(jù)來避免任何類型的欺騙攻擊。如果沒有3D數(shù)據(jù)，一張簡單的照片就足以騙過面部識別算法；而3D數(shù)據(jù)可以立即阻止這種企圖（參見：《3D攝像頭如何防止面部識別欺詐》）。
但是，為什么需要在汽車上進(jìn)行3D面部認(rèn)證呢？隨著消費(fèi)者對智能手機(jī)、智能手表、智能電視和其他智能設(shè)備所提供的便利性愈發(fā)習(xí)以為常，他們期望汽車也能帶來越來越多的便利。這意味著無論您身在何處（哪怕在智能汽車中），都可以無縫地訪問私人數(shù)據(jù)和云服務(wù)，例如：流媒體音樂。
而這些新服務(wù)也需要身份驗(yàn)證，例如：在公共充電站給電動(dòng)汽車充電時(shí)實(shí)現(xiàn)輕松支付。當(dāng)需要對某個(gè)操作進(jìn)行身份驗(yàn)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3D數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。但也有一些不太敏感的面部識別應(yīng)用。以個(gè)性化為例，它能使汽車檢測到剛剛是哪位駕駛員進(jìn)入了車輛，從而加載適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。
安全與便利應(yīng)用
汽車一旦上路，3D數(shù)據(jù)還可以用來更加精確地確定駕駛員眼睛和頭部的位置。這意味著，抬頭顯示器的投影也將更加適應(yīng)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(xiàn)完整的乘員監(jiān)控系統(tǒng)（OMS），為自動(dòng)駕駛過程中的所有必要任務(wù)提供支持，為手握方向盤檢測和自動(dòng)駕駛接管行為鋪平了道路。車輛接管駕駛時(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，車輛安全系統(tǒng)必須適應(yīng)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攝像頭通過準(zhǔn)確的3D身體模型和實(shí)時(shí)身體跟蹤提供此類信息。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(yīng)用遠(yuǎn)不止跟蹤運(yùn)動(dòng)，它還可以輕松實(shí)現(xiàn)乘員檢測和分類。這提供了準(zhǔn)確的尺寸和重量估計(jì)，可以取代現(xiàn)有的座椅重量測量系統(tǒng)。同樣，ToF還支持兒童存在檢測（CPD）系統(tǒng)，該系統(tǒng)正逐步成為一項(xiàng)強(qiáng)制性要求。
ToF還提供全新的便利性應(yīng)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(xiàng)，以便在長時(shí)間的乘坐中，稍事休息，放松背部。
ToF攝像頭也可以實(shí)現(xiàn)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)，車輛可以區(qū)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(kuò)展到整個(gè)身體和動(dòng)作。這使得智能且直觀的車內(nèi)照明成為可能，例如：只照亮當(dāng)前的感興趣區(qū)域。這顯示了ToF技術(shù)的巨大優(yōu)勢。雖然某些應(yīng)用也可以通過其他（甚至可能更便宜的）傳感器來實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)全新的應(yīng)用，優(yōu)化車內(nèi)現(xiàn)有的系統(tǒng)，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(qū)；梅賽德斯也正在利用這項(xiàng)技術(shù)，提供便利性功能。在中國，許多新的電動(dòng)汽車初創(chuàng)公司正在依賴ToF傳感器進(jìn)行DMS和面部識別。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在AITO車型中得到了應(yīng)用，預(yù)計(jì)其他各大汽車制造商將于明年推出更多采用該技術(shù)的車型。因此，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)打入了汽車內(nèi)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(dāng)成熟。特別是在智能手機(jī)中，該技術(shù)現(xiàn)得到廣泛的應(yīng)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(jī)很容易被騙：25部智能手機(jī)中有20部可以被一張簡單的打印照片解鎖。只有配備3D深度傳感器的智能手機(jī)才能區(qū)分真實(shí)的面部和照片。這使得ToF成為了為汽車駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)添加安全面部認(rèn)證的理想技術(shù)。
英飛凌與Jungo Connectivity合作，展示了與強(qiáng)大的反欺詐面部認(rèn)證功能相結(jié)合的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)基于Jungo的人工智能車內(nèi)感應(yīng)解決方案CoDriver和英飛凌的REAL3? ToF圖像傳感器。
圖4：3D ToF也適用于近距離車外感應(yīng)
ToF也為車輛外部帶來了全新的可能性（見圖4）。如上文所述，面部認(rèn)證可以用來解鎖車輛。為此，我們在B柱中安裝了ToF模塊。
能夠自動(dòng)開合的電動(dòng)車門，需要通過傳感器來確保沒有障礙物擋道。對此，ToF傳感器可以提供所需的高精度數(shù)據(jù)。對于自動(dòng)泊車，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(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
當(dāng)然，ToF攝像頭模塊是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)：它必須針對各自的車輛和應(yīng)用進(jìn)行定制，并且每個(gè)模塊都必須進(jìn)行校準(zhǔn)。所使用的激光必須得到電氣保護(hù)和機(jī)械保護(hù)，以便時(shí)刻確保乘員的眼部安全。數(shù)據(jù)處理同樣不可小覷。在汽車應(yīng)用中，ToF模塊與所有其他部件一樣，必須滿足特定的標(biāo)準(zhǔn)。例如：智能安全氣囊應(yīng)用就需要符合包括ISO 26262在內(nèi)的功能安全要求。
世界首款通過ISO 26262認(rèn)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規(guī)級ToF圖像傳感器的公司。ISO 26262 ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)定義了功能安全領(lǐng)域的最新技術(shù)水平。車內(nèi)任何可能影響乘員安全的器件都必須符合該標(biāo)準(zhǔn)。
在通過該標(biāo)準(zhǔn)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)過了智能手機(jī)的實(shí)踐檢驗(yàn)（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(jī)的攝像頭一樣小。同時(shí)，它還具有高達(dá)640 × 480像素（VGA）的系統(tǒng)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光的干擾）、集成了保護(hù)人眼的安全電路，并采用經(jīng)過優(yōu)化的電源設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)高效的（尺寸和成本）ToF攝像頭模塊設(shè)計(jì)。整個(gè)器件采用標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)球狀引腳柵格陣列（BGA）封裝，適用于標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝。
總結(jié)
3D深度數(shù)據(jù)讓一切變得與眾不同：ToF解決方案表明，合規(guī)與創(chuàng)新并不矛盾。僅一個(gè)傳感器就可以滿足歐盟的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和NCAP DMS的功能要求（包括頭部跟蹤、閉眼檢測和凝視區(qū)域分割），同時(shí)通過安全的3D面部認(rèn)證增加了新的功能和服務(wù)。這開辟了一個(gè)無縫連接的時(shí)代。此外，基于ToF的乘員監(jiān)控系統(tǒng)將“駕駛員成為乘員”的愿景化為可能，例如，在車輛自動(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(qiáng)大的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，包括：模塊制造商、一級客戶和應(yīng)用軟件專家。該公司在消費(fèi)類、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，也有著不錯(cuò)的ToF傳感器成績。英飛凌與開發(fā)合作伙伴pmdtechnologies一起，提供了一個(gè)完整的解決方案，包括復(fù)雜的深度算法、深度數(shù)據(jù)偽影檢測和校正、深度軟件支持，以及先進(jìn)、快速并經(jīng)過大量驗(yàn)證的校準(zhǔn)和測試設(shè)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規(guī)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ISO 26262 ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的3D ToF圖像傳感器，可應(yīng)對當(dāng)前和未來的功能安全應(yīng)用。
英飛凌還是車內(nèi)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(dá)和硅麥克風(fēng)等其他傳感器。
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