דימות (Image Sensor) ביישומי ניהול תעבורה דימות CMOS מתקדם מעלה את מערכות ההובלה החכמות לרמה גבוהה יותר

Joost Seijnaeve & Tom Walschap, ON Semiconductor

מערכות הובלה חכמות (intelligent transportation systems -) הוא המושג הרחב המתאר יישומים רבים המיועדים לשיפור האבטחה, היעילות ויעילות-העלות של ההובלה. מצלמות המבוססות על חיישני דימות CMOS מתקדמים, משחקים תפקיד חשוב בתמיכה על הניטור, הבקרה והאבטחה ביישומים כאלה.
תעשיית הראייה מצאה את דרכה ביישומי רכב ותנועה בשנים האחרונות. הפיתוח של הובלה חכמה כביכול שיפר את ביצועי מערכת ההובלה, כולל צמצום הצפיפות ונוחות הנסיעה והאבטחה המשופרות. מערכות גבייה אוטומטיות, מצלמות מהירות כמו גם מערכות ניהול זרימת התנועה הן עתה חלק מכל תשתית של כביש. מאמר זה בוחן את הצרכים של מערכות כאלו ממצב פיתוח הדימות (imaging) ומתמקד במיוחד בדרך בה חיישני תמונה CMOS נמצאים בלב מערכות מצלמה כאלה (איור 1).

מהן מערכות ניהול תעבורה חכמות?
למערכות ניהול תעבורה חכמות יש מגוון תת-מערכות. מערכות ניהול התנועה המתקדמות (advanced traffic management systems – ) כוללות את כל המערכות המיועדות לייטוב זרימת התנועה בעוד מערכות איסוף גבייה אלקטרוני (electronic toll collection systems – ETC) מאפשרות לנהגים לשלם אגרות-דרך מבלי להתעכב באשנבי הקופה. תתי-מערכות כגון מערכות ניהול התנועה, מערכות הפעלה לרכב מסחרי ומערכות מידע מתקדם של התנועה קשורים יותר למערכות תקשורת המבוססות על רשתות סלולאריות.
ATMS כוללים חומרה ותוכנה לשם בקרה, ניטור וניהול של תנועה בכבישים. מצלמות הן הלב של מערכת החומרה ומשמשות לניטור. ניתוח התמונות מהמצלמות מאפשר שיפור תזמוני אותות התנועה ולכן, גם של זרימת התנועה. יתרון נוסף הוא שה-ATMS מסייעים לשיפור התקשורת לשם פעולות חרום של כלי-רכב. המערכות מסוגלות לבצע זיהוי רכב אוטומטי, איתור רכב אוטומטי (מצב, מהירות וכיוון) וזיהוי אוטומטי של לוחות זיהוי (automated number plate recognition – ).
מערכות ETC מאפשרות לנהגים לשלם את אגרות הדרך מבלי לעצור באשנבי תשלום. רוב מערכות אלו מבוססים על קוראי RFID אך משלבות או עוברות ל-ANPR כנתון לטיפול בתשלום האגרה (איור 2). פריסה של מערכות ETC גורמת לצמצום בעומסי התנועה, קיצור תורים בקופות התשלום ואף חיסכון בצריכת הדלק. דוגמא נהדרת היא כמובן כביש 6 שעושה שימוש בשני הפתרונות.

יישומי מערכות ראייה ITS בפרוט
לכידת תמונות יעילה היא במרכז מערכות ה-ETC. למערכות אלו מטרה כפולה. ראשית, יש להן פונקציית ניתוח; התמונה שנלכדה מנותחת עבור ה-ANPR. שנית, התרחיש או ההקשר נלכדים בתמונה כדי לספק גיבוי והוכחה של נוכחות כלי-הרכב במקום מסוים בזמן מסוים.
לשני המרכיבים גישה שונה במקצת, אך גם כמה קווי-דמיון. ANPR דומה ליישומי ראיית המכונה; המצלמה לוכדת את התמונות לצורכי ניתוח ומפיקה רק את התוצאה. חיישני תמונות מתקדמים משמשים לשיפור היעילות, האמינות והאיכות של המערכת. צמצם גלובלי (Global Shutter) הוא מחוייב המציאות אם היישום כולל לקיחת תמונות בשעה שמכוניות חוצות אשנב גביה, מאחר שדרושה תמונה חדה כדי לבצע את הניתוח בהצלחה.
קריאת אזורים מרובים בעלי עניין
(regions of interest – ) במערך הפיקסלים מאפשרת מעקב אחר לוחיות זיהוי אחדות בו-זמנית. כל מסגרת – אזור בעל עניין חדש – ניתנת לבחירה כדי לעקוב אחר לוחיות הזיהוי או המכוניות בכלל. כמו כן, גזירה מהתמונה השלמה מקטין את כוח העיבוד הדרוש כדי לנתח את הנתונים. יתר על כן, מיצוע המסגרות יכול להגדיל את אמינות המערכת.
גרסאות שונות של חיישני תמונה משמשות עבור מערכות כאלו. בעבר, חיישני תמונה מונו-כרומטיים היו בשימוש, מאחר שברוב היישומים הם מסוגלים לבצע את המשימה והם מגיעים לאיכות תמונה משופרת. כיום, חיישני תמונות צבעוניות משמשים יותר ויותר, בשל היתרון שלהם לייצור תמונה טובה יותר של התוכן. שיפורים נוספים ברגישויות החיישנים ניתן להשיג על-ידי שימוש בחיישנים עם ביצועי
(near infrared) משופרים. מערכות ETC משתמשות בלילה לרוב בתאורת
NIR של LED, מאחר שהיא משפרת משמעותית את איכות התמונה מבלי להסיט את תשומת הלב של נהג הרכב.
ATMS הם יותר מכוונים לראייה, כאשר תמונה ברורה היא המטרה הסופית. דרושה התערבות ידנית כדי לנתח ולפרש את הנתונים אולם איכות תמונה טובה תקל על התהליך בכל מקרה.
תחום דינמי רחב (High dynamic range -) הוא גורם-מפתח ליצירת תמונה שימושית בתאורה נמוכה או תנאי תאורת-יתר. תחום דינמי רחב אפשר להשיג על-ידי מספר טכניקות שונות. משפחת VITA של ON Semiconductor כוללת כיוונון תחום דינמי רחב על-השבב כדי להשיג די פרטים באזורים החשוכים והבהירים של הזירה. כחלופה, ניתן להוציא תמונות מרובות עם זמני איסוף משתנים ולבחור את התמונה הטובה ביותר, או להשתמש בשילוב של תמונות הנבנות מחדש כדי ליצור את התמונה הסופית.
בעיה שעשויה להתעורר כאשר משתמשים ב-CCDs במצבים של חשיפת יתר שבהם איכות התמונה נפגעת יכולה להיפתר על ידי שימוש בחישני CMOS בהם ניתן לטפל במטען יתר בפיקסלים ולהגיע לתמונה איכותית.
אוטומציה מוגברת צפויה בעתיד כאשר מערכות כאלו יכללו טיוב תנועה אוטומטי כדי לסייע במניעת תאונות, מערכות מזהירות בפני התנגשות וטיוב המעברים. כאשר מתרגמים דרישות מערכת למפרטי חיישנים, ברור שדרושים מפרטים כגון Global Shutter, קריאות מהירות, רגישות גבוהה (כולל אורכי-גל של NIR), ביצועי נגד-חשיפת יתר מצוינים וביצועי תחום דינמי רחב (עד 90dB) (איור 3).

משפחת VITA כחיישן תמונות עיקרי
חיישני תמונה VITA CMOS של ON Semiconductor מציעים פיתרון אידיאלי למילוי אחר הדרישות החדשות ביותר של מערכות תנועה. משפחת המוצרים קיימת ברזולוציות 1.3Mpixel ,2Mpixel ,5Mpixel עבור חיישנים בעלי רזולוציה נמוכה יותר ועד לרזולוציות הגבוהות יותר של 12Mpixels ,16Mpixels ו-25Mpixels (טבלה A).
בשל הרזולוציה, הביצועים והממדים שלהם, חיישני התמונה 2Mpixel
() ו-5Mpixel ()
(איור 4) נבחרים לרוב עבור יישומי תנועה. ארכיטקטורת הפיקסלים מספקת rolling shutter אלקטרוני כמו גם
global-shuttering pipelined, שהם דרישת-מפתח עבור יישומי תנועה כדי ללכוד מידע מעצמים הנעים במהירות. הרזולוציה הגבוהה מתאימה מאוד ל-LPNR רב-נתיבי מאחר שהיא יכולה לכסות עד שלושה נתיבי תנועה באמצעות מצלמה אחת. קצב המסגרות המלא הגבוה (מעל 70fps) מאפשר למשתמש ללכוד מסגרות עוקבות עם קביעות חשיפה שונות במטרה ליצור תמונות בעלות תחום דינמי גבוה. דבר זה ביחד עם ה-HDR דרוש כדי להבטיח, שהתמונות, הן בתוך הרכב והן מחוצה לו, נלכדות במדויק, במהירות גבוהה ובמגוון רחב של תנאי תאורה ומזג-אוויר. אפילו קצבי מסגרת גבוהים יותר מושגים באופני קריאה של אזורי עניין מרובים (ROI) או תת-דגימה (תצוגה מקדימה), המאפשרים גם מעקב אחר עצמים מרובים בעלי מסגרות שונות.
בעוד ה-VITA-5000 משמש ליישומי ANPR מרובי-נתיבים, ה-VITA-2000 משמש רבות עבור מצלמות פיקוח תנועה. אלו מותקנות בצמתים חשובים כדי לספק את תזרים התנועה כמו גם ניתוח של תאונות דרכים. שוב, Global Shutter ו-HDR הם חיוניים כדי לספק תמונות אופטימליות בכל התנאים.
חיישנים בעלי רזולוציה גבוהה כגון ה-VITA-12K ,VITA-16K ו-VITA-25K (ראה טבלה) נבחרים לעתים קרובות כדי לספק פיתרון ראייה מלא עם מצלמה אחת, שיכולה לשמש כמצלמת פיקוח כמו גם לעקוב אחר נתיבי תנועה רבים בתמונה אחת. פתרונות איכותיים כגון אלה יכולים להחליף מערכות קיימות רבות, ולהפחית בכך את עלויות התחזוקה כמו גם קצבי כשל פוטנציאלי (שני היבטים חשובים ביותר במערכות תנועה בשל התחזוקה היקרה והקשה של מערכות מצלמה בשדה).
כל חיישני ה-VITA מוצעים בגרסאות מונוכרום כמו גם בצבעי RGB-bayer. גרסת המונוכרום זמינה בשתי גרסאות כאשר לאחת מהן יש ביצועים טובים יותר באזור ה- (700 עד 900 ננו-מטר) (איור 5). דבר זה מאפשר ללקוחות לצרף מקורות תאורה נוספים מחוץ לתחום הראייה כדי למנוע הפרעה לנהג משיקולי בטיחות וכמו כן כדי להעלות את הרגישות במהלך היום והלילה.
משפחות חיישנים נוספות של חברת ON Semiconductor מציעות מגוון רחב יותר של רזולוציות ורגישויות.

סיכום
ניטור תנועה בכל צורותיו משחק תפקיד יותר ויותר חשוב בחיי היום-יום שלנו. לכן, התעשייה הקשורה בכך מתפתחת ומשתמשת בעיבוד נתונים ופתרונות תמונה אשר פותחו במקור עבור יישומי ראיית מכונה. משפחת חיישני התמונה VITA של ON Semiconductor מציעה פיתרון של חיישני תמונה העונה לרוב דרישות מערכת הראייה של התנועה.

Joost Seijnaeve עובד בניהול שיווק המוצרים ו-Tom Walschap הוא בשיווק אסטרטגי ב-CMOS Image Sensor Products Group () של ON Semiconductor.