הדמיית רכיבי CMOS מתקדמים לוקחת את מערכות התעבורה החכמות (ITS) אל השלב הבא

מה הן מערכות ITS?
מערכות תעבורה חכמות (ITS) הן מונח רחב שמתאר אינסוף יישומים, שמטרתם לשפר את הבטיחות, היעילות ואת יחס העלות-תועלת בתחום התעבורה. לחיישנים מתקדמים בטכנולוגיית CMOS יש תפקיד חשוב בתמיכה ביישומים אלו, וכן בבקרה ובבטיחות שלהם.

מערכות מתקדמות לניהול תעבורה (ATMS)
מערכות מתקדמות לניהול תעבורה (ATMS) כוללות חומרה ותוכנה לבקרה, לניטור ולהדמיה של תעבורה בכבישים. בליבה של החומרה יש מצלמות. בעזרת ניתוח תמונות המצלמה אפשר להשיג שיפור של תזמון אותות תעבורה שתורם בתורו לזרימת התעבורה. תועלת נוספת מתקבלת בשל העובדה שמערכות ATMS מסייעות גם בשיפור הקשר בין כלי רכב המשמשים בפעולות חירום. מערכות אלו יכולות לזהות באופן אוטומטי כלי רכב, את המיקום שלו (את מיקומו, מהירות וכיוון נסיעתו), ואת לוחית הרישוי שלו (ANPR – זיהוי אוטומטי של לוחית רישוי).
מערכות אלקטרוניות לגביית תשלום אגרת כבישים
מערכות אלקטרוניות לגביית אגרת נסיעה בכבישים (ETC – גביית אגרה אלקטרונית) מאפשרות לנהגים לשלם אגרת נסיעה בכבישים מבלי לעצור בעמדות התשלום. רוב המערכות מבוססות קוראי RFID (טכנולוגיה לזיהוי בעזרת גלי רדיו), אך משלבות או עוברות אל זיהוי אוטומטי של לוחית הרישוי (ANPR), כקלט שמוזן עבור טיפול בגביית האגרה. הפריסה של מערכות ETC מובילה לפחות צפיפות בתעבורה, מקצרת את התורים בעמדות לתשלום אגרה, ואפילו תורמת לחיסכון בצריכת דלק.

פירוט היישומים האפשריים של מערכות תעבורה חכמות (ITS)
ביסוד מערכות הגבייה האלקטרוניות (ETC) עומדת לכידת תמונה אפקטיבית. למערכות אלו יש מטרה כפולה. הפונקציה הראשונה היא אנליזה – התמונה שנלכדה עוברת אנליזה לצורך זיהוי אוטומטי של לוחית הרישוי. הפונקציה השנייה היא הוכחה – המטרה של התרחיש או התוכן שצולמו היא לשמש גיבוי או הוכחה להימצאותו של רכב מסוים במקום ובזמן מסוימים.
לשני האלמנטים האלו יש צדדים דומים על אף שהגישה שונה במקצת. זיהוי אוטומטי של לוחית הרישוי דומה ליישומים של ראיית מכונה – המצלמה לוכדת תמונות לצורך עריכת אנליזה, ומפיקה כפלט רק את התוצאות. חיישני תמונה מתקדמים משמשים לשיפור היעילות, האמינות והאיכות של המערכת. אין ספק שצמצם גלובלי הוא הדרישה החשובה ביותר, אם היישום כרוך בצילום של רכב הנמצא בתנועה. להשלמת האנליזה, יש צורך בתמונה חדה.
ביצוע קריאה של תחומים מרובים של העניין שבמוקד (ROI) במערך פיקסלים, מאפשר ביצוע מעקב אחר לוחיות רישוי מרובות באותו זמן. אפשר לבחור כל מסגרת תמונה, כל תחום שבו יש עניין חדש במוקד – כדי לעקוב אחר לוחית הרישוי המסוימת או אחר כמה כלי רכב באופן כללי. בנוסף חיתוך משדה הראייה הכולל מקטין את עוצמת העיבוד הנדרש לביצוע אנליזה של הנתונים. יתר על כן, עריכת ממוצע של מסגרות התמונה יכול להגדיל את אמינותה של המערכת.
במערכות אלו אפשר למצוא גרסאות שונות של חישני תמונה. באופן מסורתי, משתמשים בחישני תמונה בשחור לבן (מונוכרום), באמצעותם מתקבלת איכות מעולה. כיום, משתמשים בחיישני תמונה בצבע, מפני שהם יוצרים תמונה טובה יותר למטרות ניתוח תוכן. אפשר להגיע לשיפורים נוספים בביצועי רגישות, על ידי רגישות משופרת לאינפרה אדום קרוב (NIR). מערכות גבייה אלקטרוניות משתמשות בדרך כלל בתאורת LED באינפרה אדום קרוב, לצילום בלילה, שכן זו משפרת באופן משמעותי את איכות התמונה ובמקביל לא מפריעה לנהג.
המטרה הסופית מבחינה חזותית של מערכות מתקדמות אלו לניהול תעבורה היא לקבל תמונה נקייה וברורה. התערבות ידנית נדרשת כדי לנתח ולבאר את הנתונים, אך איכות תמונה טובה בלי כל ספק תקל על ביצוע התהליך.
טווח דינמי רחב הוא גורם מפתח שמאפשר להפיק תמונה בתאורה חלשה או בתנאים של תאורה רבה מדי. אפשר לקבל טווח דינמי רחב בעזרת כמה טכניקות שונות. משפחת VITA של On Semiconductor מאופיינת בהגדרת טווח דינמי רחב על שבב על מנת לקבל מספיק פרטים בתמונה כהה ובתמונה בהירה. כחלופה, אפשר לקבל כפלט תמונות רבות עם זמן אינטגרציה משתנה, ולבחור בתמונה המועדפת ביותר, או להשתמש בשילוב של תמונות שנבנות מחדש, כדי ליצור את התמונה הסופית. בהתקני צילום הפועלים בטכנולוגית CMOS, אפשר להתעלם מפריחה (Blooming), בעיה שעלולה להתרחש כאשר משתמשים ברכיבי CCD בזמן שנתוני התמונה נפגמים על ידי צילומים בחשיפת יתר – על ידי שימוש בשיטות “גלישה” כדי לנקז מטענים עודפים בפיקסלים, ובכך להימנע מהשחתה של התמונה.
על אף שהמערכות מוכוונות בעיקר לראייה, אפשר לצפות לאוטומציה מוגברת בעתיד. מערכות אלו יכללו אופטימיזצית תעבורה אוטומטית כדי לעזור במניעת תאונות, במערכות שמתריעות מפני התנגשות, ובהשגת אופטימיטזצית חציית צמתים.

משפחת VITA כחיישן תמונה עיקרי
חיישני תמונה VITA בטכנולוגיית CMOS מציעים פתרון אידיאלי לעמידה בדרישות מערכות התעבורה. כאשר מתרגמים את דרישות המערכת למפרטי החיישנים, ברור שיש צורך בסגירת צמצם אוטומטי, קריאה מהירה, רגישות גבוהה (לרבות אורכי גל באינפרה אדום קרוב), ביצועים מצוינים נגד “פריחה” (Blooming) וביצועי טווח דינמי רחב (עד 90dB).
משפחת חיישני התמונה VITA משלבת את כל הדרישות הנחוצות, ולכן היא מתאימה ביותר לעמוד בדרישות אלו של יישומי ITS. ארבעה נציגים של משפחת חיישני תמונה זו יצאו לשוק במהלך שנת 2010, והם: VITA-1300, VITA-2000, VITA-5000
ו-VITA-25k. בהמשך השנה נוספו שני התקנים נוספים (VITA-12k
ו-VITA-16k). אלו יספקו משפחה שעונה על הטווח המקיף של דרישות הרזולוציה.
בזכות הרזולוציה, הביצועים והגודל של הרכיב VITA-5000, הוא נבחר באופן סוחף לשמש ביישומי תעבורה. יש לו רזולוציה של 2592 (גובה) ו-2048 (רוחב) עם פיקסלים של 4.8 מיקרו-מטר בעלי רגישות גבוהה, והתוצאה היא חיישן בגודל 1 אינטש. ארכיטקטורת הפיקסלים מספקת צמצם נגלל באופן אלקטרוני, וכן סגירת צמצם גלובלית בעיבוד צינור נתונים (pipeline), שהיא דרישה מרכזית ללכידת מידע מעצמים שנעים במהירות. הרזולוציה שלו, בת 5 מגה-פיקסלים, מתאימה היטב ל-LPNR בריבוי נתיבים, מפני שהיא יכולה לכסות עד שלושה נתיבי תעבורה עם מצלמה אחת.
נתוני המוצא מסופקים דרך שמונה ערוצי LVDS לנתונים בתקן תעשייתי, כל אחד מהם פועל ב-620 מגה סיביות בשנייה, והתוצאה היא קצב מסגרות מלא של 70 מסגרות בשנייה. קצב מסגרות גבוה כזה מאפשר למשתמש לצלם מסגרות עוקבות עם הגדרות חשיפה שונות במטרה ליצור תמונות בעלות טווח דינמי גבוה . HDR נדרש כדי להבטיח שתמונות שצולמו אל תוך הרכב, אשר מספקות הוכחה לזיהוי הנהגים, יכולות להתקבל בתנאי תאורה נמוכה. HDR תומך גם בקריאה יעילה של לוחית הרישוי בתנאים של תאורה בהירה ביום, בתנאי לילה ובכל מזג אוויר. מצב HDR על השבב שקיים בחיישן, שבו החיישן מספק תגובה ליניארית במקטעים ישרים (piece wise) לאור (הנקראת תגובה בריבוי שיפועים) שדוחסת ביעילות את החלקים שבהם יש חשיפה גבוהה של התמונה, ומניבה כתוצאה את הטווח הדינמי האופטי המגיע עד 90dB.
משפחת חיישני התמונה VITA משלבת מגבר עם היסט והגבר שניתנים לתכנות עבור כל ערוץ של יציאות LVDS בתקן תעשייתי. קצבים גבוהים יותר של מסגרות מתקבלים עם ריבוי תחומי ROI או עם מצבי קריאה בדגימת חסר (דגימה מראש) שניתנים לתכנות דרך ממשק היקפי טורי (SPI). קריאות תחומי ROI מרובות מאפשרות לעקוב אחר עצמים מרובים על פני מסגרות שונות, כשהתוצאה היא קריאת מסגרות ברמה טובה יותר וכן, תפוקת נתונים מופחתת במערכת.
יוצר הרצף שעל המעגל מחולל את כל אותות התזמון הפנימי לחשיפה ולקריאה. חיישנים ממשפחת VITA מאופיינים גם בממיר אנלוגי לספרתי (ADC) של 10 סיביות על השבב, על מנת לספק יציאות ספרתיות ובקרת תזמון לפיתוח יישומים פשוט.
בזמן ש-VITA-5000 משמש בדרך כלל ביישומים של ANPR בריבוי נתיבים, הרכיב VITA-2000 משמש באופן נרחב במצלמות פיקוח תעבורה, שמותקנות בצמתים חשובים, על מנת להעריך את זרימת התעבורה, וכן לנתח את ההתנגשויות ואת התאונות בכבישים. לסגירת הצמצם הגלובלי ולפונקציה HDR יש חשיבות רבה באספקת תמונות אופטימליות בכל תנאי שהוא.
חיישנים ברזולוציה גבוהה, כגון
VITA-12K, VITA-16K וה-VITA-25K נבחרים לא פעם כדי לספק פתרון ראייה מקיף עם מצלמה אחת שיכולה לשרת כמצלמת פיקוח, וכן כמעקב אחר נתיבי תעבורה מרובים בצילום אחד. פתרונות כאלו מהרמה הראשונה יכולים להחליף את המערכות המרובות הקיימות, במיוחד בהפחתת עלויות התחזוקה וכן שיעורי הכשל הפוטנציאליים. אלו הם היבטים חשובים במיוחד במערכות תעבורה, בהינתן נתוני התחזוקה היקרה והקשה של מערכות המצלמה בשטח.
כל חיישני VITA מוצעים בשחור לבן ובגרסאות RGB עם מסנן bayer. את הגרסה בשחור לבן אפשר להשיג בשתי גרסאות, באחת מהן יש תגובה משופרת לתחום אינפרה אדום קרוב (700-900 ננו-מטר). היא מאפשרת ללקוחות להוסיף מקורות תאורה נוספים מחוץ לטווח הראייה כדי למנוע הפרעה ראיית אדם מסיבות בטיחות והגדלת הרגישות, הן ביום וגם בלילה.

סיכום
לניטור תעבורה, על כל היבטיו, יש תפקיד חשוב יותר ויותר בחיי היום-יום שלנו, וכתוצאה, התעשייה סביבו מתרחבת ומשתמשת בעיבוד נתונים ובפתרונות הדמיה, שמלכתחילה פותחו עבור יישומים של ראיית מכונה. משפחת חיישני הדמיה VITA מבית היוצר של On Semiconductor מציעה פתרון של חיישן תמונה שעונה על רוב דרישות מערכת הראייה של התעבורה.