據麥姆斯咨詢介紹，汽車發展至今已有100多年的歷史，汽車的電氣化、智能化、網聯化正在重新定義人與車的關系：司機不再只是辛勞的駕駛者，乘客不再只能無聊地打發時間。智能座艙是擁抱汽車發展新興技術趨勢，從消費者應用場景角度出發而構建的新型人機交互體系。目前，全球知名整車廠和傳感器供應商正積極探索智能座艙的技術落地，其中以傳感器和人工智能為基礎的座艙監控（In-cabin monitoring）是重要的核心功能之一，其通過實時監控整個汽車座艙內環境來提升駕駛員及乘客的安全性。

為了提升車輛和道路的安全性，歐盟新車安全評鑒協會（Euro NCAP）決定從2024年起將駕駛員監控系統（DMS）作為五星評級的必備安全功能指標。此外，DMS的擴展系統——乘客監控系統（OMS）進一步提升了安全性、舒適性和便捷性，例如判斷是否有兒童或寵物遺留車中、根據乘客喜好自動調整座椅位置。DMS和OMS需要諸多傳感器，例如圖像傳感器、超聲波傳感器、壓力傳感器、加速度計等，而新型ToF傳感器則為DMS和OMS提高人臉識別、手勢識別、姿態分析、座椅占用檢測等功能的準確性。

寶馬利用Melexis的3D ToF技術實現座艙監控

比利時微電子半導體解決方案全球供應商Melexis（邁來芯）在飛行時間（ToF）技術領域擁有豐富的經驗。Melexis從2004年開始ToF傳感器的研發設計，于2015年率先向行業提供滿足車規要求的ToF傳感器芯片。2020年9月，Melexis發布了具有QVGA分辨率的最新第三代ToF傳感器芯片MLX75026，并通過AEC-Q100車規級認證。

Melexis通過AEC-Q100認證的QVGA分辨率ToF傳感器MLX75026

作為全球知名汽車廠商寶馬（BMW）的合作伙伴，Melexis為其座艙監控提供ToF傳感器技術。那么，Melexis的ToF傳感器如何滿足汽車應用的嚴苛要求？實際用例的表現如何？寶馬車內監控概念驗證進展如何？在2020 Autosens展會的在線研討會上，Melexis光學傳感器產品線的營銷經理Gualtiero Bagnuoli講解了各種座艙監控系統配置和ToF傳感器特點；寶馬Thomas Ewender博士則通過實際的車內演示證明了ToF技術的應用優勢。

寶馬利用Melexis的ToF技術進行座艙監控的概念驗證

在線研討會：主持人（左上）、Melexis光學傳感器產品線的營銷經理Gualtiero Bagnuoli（右上）和寶馬Thomas Ewender博士（下）

Gualtiero Bagnuoli首先介紹：“在DMS用例方面，采用Melexis的ToF技術之后，對駕駛員頭部位置、駕駛員眼睛不看路面、駕駛員閉眼等用例的探測準確率遠高于95%，在某些情況下甚至可接近100%。”座艙監控的目標是盡可能覆蓋更廣的車內環境，以利于提供有關駕駛員和乘客位置及活動的準確信息。因此，ToF攝像頭必須具有寬廣的視場角（FOV）。如果希望覆蓋后排座椅，那么需將ToF攝像頭放置在后視鏡上方，最好是在車頂，以避免被前排座椅遮擋。但是，安裝在車頂位置的ToF攝像頭難以檢測到駕駛員的眼睛和面部，故無法滿足NCAP要求。

應用于座艙監控的不同ToF攝像頭配置方式

那么，Melexis的ToF技術應用進一步擴展至OMS，對車內所有乘客監控的表現如何呢？Gualtiero Bagnuoli在研討會上展示了采用其合作伙伴gestigon（一家專注于座艙3D圖像處理軟件開發的德國初創企業，于2017年被法雷奧收購）的標準評估套件和軟件算法進行性能測試的結果：在水平視場角（FOV）分別為110°和156°時，座椅占用檢測和駕駛員活動監測的準確率數據相當：FOV為110°時，座椅占用檢測和駕駛員活動監測的準確率分別為99%、97%；FOV為156°時，座椅占用檢測和駕駛員活動監測準確率分別為98%、97%。

Thomas Ewender博士則重點分享了由寶馬、弗勞恩霍夫應用光學和精密工程研究所（IOF）、gestigon和Melexis合作的聯合科學項目：開發具有超大視場角的超緊湊型3D ToF攝像頭系統（MiniTOFKA），旨在探究一顆攝像頭集成車內所用3D傳感應用的挑戰及解決方案。該項目始于2018年12月，投資總額為340萬歐元，其中幾乎一半資金由產業界合作伙伴提供，并獲得了由德國聯邦教育及研究部（German Federal institute of Education and Research）提供的資助。

一個ToF攝像頭滿足多個用例需求，面臨眾多挑戰：如何滿足車規級溫度穩定性和日光魯棒性要求？設計上如何實現多功能的集成？車內安裝位置的考量？……Thomas Ewender博士介紹了MinTOFKA的整體架構情況，MinTOFKA由新型光學方案（多孔徑光學元件）與ToF傳感器組成，從而打造出尺寸非常緊湊的ToF攝像頭。

超緊湊型ToF攝像頭系統（MinTOFKA）的組成部分

Thomas Ewender博士介紹：“新型光學方案由兩個結構單元構成，將視場角分為2個通道（見下圖左側）；混合光學元件由一個玻璃光學元件和一個晶圓級光學元件（WLO）組合（見下圖右側）。”這種全新組合有哪些優勢？首先，薄型光學元件采用分割視場角式設計；其次，該項目經過兩次迭代，光學通道由2個增加到6個，光學元件厚度實現了小于10 mm的目標，并獲得了高達170°的視場角；第三，由于復雜性降低并使用晶圓級光學元件，成本有所下降，同時可以獲得很高的溫度穩定性。

MinTOFKA新型光學方案及混合光學元件示意圖

Thomas Ewender博士向大家展示了第一次迭代產品的實測結果：其中，手勢識別準確率為86%，駕駛員手握方向盤檢測準確率為92%，座椅占用檢測準確率高達99%，同時展示了溫度穩定性的測試結果。然后，他還分享了剛剛完成光學設計的第二次迭代MinTOFKA系統預覽，其目標為水平視場角（FOV）為169°、垂直視場角為127°，并增加身體姿勢識別、手指指向識別、安全氣囊控制和兒童檢測等測試項目。

五年前，ToF還只是一項小眾技術。而如今，它不僅作為手勢控制功能的核心技術在寶馬的幾乎全系車型中獲得應用，也被智能手機、無人機和AR/VR設備等消費類產品認可！關于ToF技術實現座艙監控的具體細節，請學習由麥姆斯咨詢在國內獨家發布的Melexis和寶馬聯合參與的在線研討會視頻！

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