預(yù)防碰撞的攝像頭技術(shù)

可自動(dòng)制動(dòng)的防碰撞系統(tǒng)大多使用支持高速行駛的毫米波雷達(dá)，或者適合低速行駛的激光雷達(dá)。但需要與車輛進(jìn)行一體開發(fā)，安裝車型有限，尤其是毫米波雷達(dá)，往往價(jià)格較高。而使用攝像頭的話，雖然不適合在惡劣天氣及雪地上使用，但能夠有效降低成本，并且開發(fā)出外置型產(chǎn)品應(yīng)用于售后市場(chǎng)。

使用攝像頭的系統(tǒng)大致可以按照攝像頭的種類和有無(wú)制動(dòng)控制功能來(lái)分類。作為汽車廠商的選裝配置安裝時(shí)，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)ACC(自適應(yīng)巡航控制)和自動(dòng)制動(dòng)等功能。除了富士重工僅用攝像頭就實(shí)現(xiàn)了這種功能之外，豐田及沃爾沃還通過(guò)結(jié)合使用毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了類似功能。寶馬公司則利用單眼攝像頭實(shí)現(xiàn)了碰撞報(bào)警功能，新款“1系”選配的系統(tǒng)是只會(huì)報(bào)警的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。

售后市場(chǎng)方面，使用單眼攝像頭的防碰撞系統(tǒng)產(chǎn)品也日益增多。通過(guò)結(jié)合使用專用攝像頭與顯示裝置來(lái)檢測(cè)行人、車輛及車道偏離的產(chǎn)品。荷蘭Mobileye公司在全球42個(gè)國(guó)家推出了名為“Mobileye C2-270”的產(chǎn)品。智能手機(jī)方面也出現(xiàn)了美國(guó)蘋果的“iPhone”和美國(guó)谷歌的安卓終端使用的碰撞報(bào)警應(yīng)用，價(jià)格極為便宜。正如現(xiàn)在智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航功能一樣，防碰撞系統(tǒng)也在逐步向利用智能手機(jī)的方法轉(zhuǎn)移。

單眼攝像頭MobileyeC2-270

總部位于荷蘭的Mobileye公司使用1個(gè)攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)防碰撞功能。Mobileye開發(fā)的使用單眼攝像頭的汽車防碰撞報(bào)警系統(tǒng)“MobileyeC2-270”已經(jīng)銷往了全球42個(gè)國(guó)家，該公司的圖像處理SoC“EyeQ2”已經(jīng)被應(yīng)用到了寶馬新款“1系”和沃爾沃車輛上。此外還被通用和福特及其它日本企業(yè)所采用。

5種警示功能

Mobileye C2-270的主要功能包括與前方車輛和行人碰撞警示、車道偏離警示、車距警示。不僅能通過(guò)蜂鳴聲報(bào)警，還能通過(guò)顯示裝置向駕駛者報(bào)警。具體的報(bào)警功能包括5種：前方車距監(jiān)測(cè)與警示(HMW)、前方車輛碰撞警示(FCW)、低速時(shí)前方車輛碰撞警示(UFCW)、行人碰撞警示(PCW)和車道偏離警示(LDW)。

前方車距監(jiān)測(cè)與警示：顯示的是本車與前車的車距除以本車秒速得到的數(shù)值。當(dāng)與前車的車距小于2.5s時(shí)，顯示器將顯示車距的秒數(shù)。當(dāng)車距小于事先設(shè)定的秒數(shù)時(shí)，代表車輛的圖標(biāo)將變成紅色，并鳴響“嗶”的警報(bào)蜂鳴聲。檢測(cè)距離最遠(yuǎn)為90m左右。

前方車輛碰撞警示：在碰撞可能發(fā)生之前2.7s，車輛圖標(biāo)將變成紅色，同時(shí)大聲發(fā)出“嗶嗶嗶嗶”的警報(bào)，提醒駕駛者踩制動(dòng)踏板。

低速時(shí)前方車輛碰撞警示：也叫做虛擬保險(xiǎn)杠。事先在自車保險(xiǎn)杠前方1~2m處設(shè)定虛擬保險(xiǎn)杠，在時(shí)速低于30km以下的情況下，當(dāng)前方車輛接近到觸碰虛擬保險(xiǎn)杠的距離時(shí)，鳴響“嗶、嗶”的警報(bào)聲。其作用是防止堵車和等紅綠燈時(shí)發(fā)生碰撞。

行人碰撞警示：該功能在檢測(cè)到前方30m以內(nèi)有行人時(shí)，首先會(huì)點(diǎn)亮紅色的行人標(biāo)志，在行人進(jìn)入危險(xiǎn)距離，可能發(fā)生碰撞的2s前發(fā)出“嗶-嗶-”的蜂鳴聲。

車道偏離警示：當(dāng)汽車時(shí)速達(dá)到55km/h以上，無(wú)意偏離車道時(shí)，顯示器將顯示偏離一側(cè)車道的標(biāo)志，同時(shí)發(fā)出“嘟嘟嘟嘟嘟嘟嘟”的警告聲。如果是打開轉(zhuǎn)向燈變更車道，則判斷為有意偏離車道，不會(huì)發(fā)出報(bào)警聲也不會(huì)顯示圖標(biāo)。

由于每種警示的報(bào)警聲各不相同，因此在熟悉之后，駕駛者無(wú)需查看顯示裝置，根據(jù)聲音即可判斷出警示的種類。

小型、低成本化

為了提高檢測(cè)性能，使用攝像頭的防碰撞系統(tǒng)必須在安裝時(shí)對(duì)攝像頭位置進(jìn)行輸入和校正。立體攝像頭必須仔細(xì)調(diào)節(jié)兩個(gè)攝像頭之間的距離和安裝角度。如果把攝像頭數(shù)量減少到1個(gè)，就能夠減少校正作業(yè)耗費(fèi)的時(shí)間和勞力。

與采用立體攝像頭的方式相比，單眼攝像頭可檢測(cè)的距離雖然偏短，但通過(guò)改進(jìn)圖像處理技術(shù)可以縮小差距。

C2-270由攝像頭單元、顯示裝置和電纜盒構(gòu)成。電纜盒使用CAN總線等從車輛讀取速度、制動(dòng)器、雨刷、方向指示器、遠(yuǎn)光燈的信號(hào)。C2-270除了攝像頭單元和攝像元件之外，還內(nèi)置了核心部分——圖像處理SoC。

EyeQ2能夠同時(shí)處理汽車預(yù)防式安全系統(tǒng)和防撞輔助系統(tǒng)所必須的以下檢測(cè)：前方車輛、車道線、與前方車輛的距離、與前方車輛的相對(duì)速度和相對(duì)加速度、車道內(nèi)的前方車輛、彎道、行人。

關(guān)于車輛檢測(cè)，識(shí)別車輛依照的是對(duì)三個(gè)特征的檢測(cè)，分別是車輛后部的矩形檢測(cè)、后輪檢測(cè)、兩個(gè)尾燈的檢測(cè)。系統(tǒng)將通過(guò)比對(duì)預(yù)先保存的幾十種車輛形狀的圖案，判斷前方物體是否為汽車。如果是汽車，系統(tǒng)可以判斷出后輪輪胎的位置。而尾燈則是夜晚重要的檢測(cè)要素。

在識(shí)別車輛時(shí)，CMOS傳感器上的車寬需要達(dá)到13個(gè)像素以上，這相當(dāng)于與車寬為1.6m的車輛相距115m。從CMOS傳感器的性能來(lái)看，前方的識(shí)別限度約為90m。

車道線的檢測(cè)數(shù)據(jù)將用于車距監(jiān)測(cè)及警示、前方車輛碰撞警示。50m遠(yuǎn)的寬度為10cm的車道線在CMOS傳感器上相當(dāng)于兩個(gè)像素。系統(tǒng)將從攝像頭圖像中識(shí)別出車道線，根據(jù)攝像頭的視野和在前窗上安裝的位置等信息計(jì)算出車道線的寬度及其與車輛的相對(duì)位置，利用卡爾曼濾波器推測(cè)車道線。

與前方車輛的距離是利用“遠(yuǎn)近法原理”計(jì)算得出的。因?yàn)閿z像頭的地面高度(H)已知，所以，路面上前方車輛接觸地面的位置比水平面上無(wú)限遠(yuǎn)的一點(diǎn)(延伸焦點(diǎn)，F(xiàn)OE：focusof expansion)略低幾度。

映射到攝像頭內(nèi)部的CMOS傳感器上的圖像的高度(y)隨與前車(后輪輪胎與道路的接觸面)的距離而變化。攝像頭的焦距(f)同樣為已知條件。按照“H∶Z＝y(tǒng)∶f”計(jì)算，即可求出與前車的距離Z。而且，距離碰撞的時(shí)間也可以根據(jù)“Z相對(duì)速度”的公式求出。

行人檢測(cè)的難度要大得多。行人不同于車輛，動(dòng)作、服裝、身體各部分的變化要素很多，而且還需要與街上的建筑、汽車、電線桿、樹木等背景圖案區(qū)分開來(lái)。為了在有人走向行駛車道時(shí)盡可能縮小檢測(cè)延遲，對(duì)于車道外行人的檢測(cè)必不可少。因此可以容許出現(xiàn)某種程度的誤判。提高行人檢測(cè)的精度依靠的是“單幀分類”和“多幀認(rèn)證”兩個(gè)步驟。首先通過(guò)“單幀分類”判斷出“好像是行人”，然后再轉(zhuǎn)入“多幀認(rèn)證”，當(dāng)檢測(cè)到行人進(jìn)入車道內(nèi)時(shí)提高等級(jí)，采取立即發(fā)出報(bào)警等處理方式。

在行人識(shí)別中，系統(tǒng)將把推測(cè)為行人的圖像分成9個(gè)區(qū)域提取特征，結(jié)合多幀的動(dòng)態(tài)變化提高精度。識(shí)別到的VGA分辨率的縱長(zhǎng)長(zhǎng)方形行人圖像將在調(diào)整到12×36像素后進(jìn)入“單幀分類”處理。根據(jù)匯總了3~25m范圍內(nèi)15萬(wàn)個(gè)廣泛的行人事例(考慮到了動(dòng)作和停頓、照明、背景圖案、氣象條件、天氣下的可視條件等)的測(cè)試數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類。

技術(shù)弱點(diǎn)

采用攝像頭技術(shù)的防碰撞報(bào)警系統(tǒng)也存在弱點(diǎn)。因?yàn)槭腔跀z像頭進(jìn)行圖像識(shí)別，所以人眼看不到的東西無(wú)法識(shí)別。在識(shí)別車道線時(shí)，掉色的車道線、在雨雪覆蓋下難以辨識(shí)的車道線可能無(wú)法識(shí)別。

在隧道的入口和出口附近，前方車輛與隧道影像重疊也可能造成誤報(bào)；前方車輛映照在被雨水淋濕的道路上的倒影也有可能造成誤報(bào)；當(dāng)太陽(yáng)位于靠近地平線的正前方時(shí)，攝像頭有時(shí)會(huì)無(wú)法正確識(shí)別前方車輛；而且，當(dāng)攝像頭正前方的前窗上有水滴時(shí)，系統(tǒng)有可能發(fā)生魚眼鏡頭效應(yīng)，對(duì)前方車輛的大小判斷錯(cuò)誤。

為了改進(jìn)以上問(wèn)題，Mobileye公司已經(jīng)著手開始改進(jìn)圖像處理SoC。目前正在與意法半導(dǎo)體合作開發(fā)名為“EyeQ3”的第3代產(chǎn)品。計(jì)劃在2014年開始供應(yīng)配備該SoC的產(chǎn)品。EyeQ3內(nèi)嵌4個(gè)支持多線程的“MIPS32內(nèi)核”，每個(gè)CPU內(nèi)核都配備了VMP(vector microcode processor)。公司計(jì)劃通過(guò)靈活分配控制與數(shù)據(jù)處理，使其性能達(dá)到EyeQ2的6倍。而且還計(jì)劃實(shí)現(xiàn)支持多攝像頭輸入等大容量影像數(shù)據(jù)處理。如果除了前方之外，攝像頭還能安裝在后方和側(cè)面用以獲取信息，應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)更可靠的防碰撞報(bào)警系統(tǒng)。

富士重工立體攝像頭EyeSight

2008年，富士重工推出了配備駕駛輔助系統(tǒng)“EyeSight”的“力獅”及其攝像頭單元、圖像處理LSI?！癊yeSight”系統(tǒng)采用立體攝像頭實(shí)現(xiàn)預(yù)防碰撞和0~100km/h的巡航控制。EyeSight使用立體攝像頭而非毫米波雷達(dá)或激光雷達(dá)來(lái)測(cè)量與前方車輛及行人間的距離。當(dāng)有與車輛前方的障礙物相撞的危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)通過(guò)警報(bào)、警告燈及警告制動(dòng)提醒駕駛者注意，之后自動(dòng)實(shí)施制動(dòng)。

減輕碰撞傷害

雖然在碰撞前1.4s實(shí)施制動(dòng)，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)也能做到避免碰撞，但為避免導(dǎo)致駕駛者過(guò)分依賴系統(tǒng)，所以富士重工在當(dāng)年的宣傳中強(qiáng)調(diào)，只能做到“減輕由碰撞導(dǎo)致的傷害程度”。

當(dāng)時(shí)展示的攝像單元由日立制作所制造，在鋁合金制造的機(jī)身上配備了ECU(電子控制單元)和兩個(gè)30萬(wàn)像素的黑白CCD。在ECU上配備了同為日立制作所制造的圖像處理ASIC以及其它多個(gè)微處理器。圖像處理IC由原來(lái)能夠編程但價(jià)格較高的FPGA改成了ASIC，削減了芯片成本，并提高了處理性能。該IC能夠通過(guò)識(shí)別圖像的各像素來(lái)判斷車輛與對(duì)象物間的距離，瞬間將信息發(fā)送至控制電路?？刂齐娐穼⒁苿?dòng)速度與本車車速相同的物體判斷為周圍環(huán)境，將其它障礙物識(shí)別為前方車輛及行人等。

在系統(tǒng)中，攝像單元與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU以及制動(dòng)助力器ECU聯(lián)動(dòng)，經(jīng)由傳輸速度為500kbps的CAN從攝像頭單元向各ECU發(fā)出加減速指令。減速時(shí)通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、啟動(dòng)制動(dòng)助力器來(lái)降低車速。另外，車速等車輛信息由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU和防側(cè)滑裝置收集，對(duì)駕駛者顯示的信息將輸出到儀表板上。

進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)

兩年后，富士重工業(yè)強(qiáng)化了使用立體攝像頭的駕駛輔助系統(tǒng)“EyeSight”的功能。不僅可啟動(dòng)自動(dòng)制動(dòng)器避免與前方車輛或障礙物發(fā)生碰撞，還能在使用前方車輛追蹤功能時(shí)使車輛保持停止?fàn)顟B(tài)。富士重工強(qiáng)化了預(yù)防碰撞安全功能與前方車輛追蹤功能。預(yù)防碰撞安全功能可在與前方車輛的相對(duì)速度低于30km/h、碰撞可能性較大的情況下，啟動(dòng)自動(dòng)制動(dòng)器，以避免發(fā)生碰撞。在相對(duì)速度超過(guò)30km/h的情況下，則能減輕碰撞的傷害程度。盡管上一代系統(tǒng)也會(huì)在碰撞可能性較大時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)制動(dòng)器，但只能減輕碰撞的傷害程度。

前方車輛追蹤功能方面，在堵車等情況下車輛停止行駛時(shí)，原來(lái)只能通過(guò)啟動(dòng)ESC(防側(cè)滑裝置)保持停止?fàn)顟B(tài)兩秒鐘，隨后車輛會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)蠕動(dòng)力(Creep)的作用下開動(dòng)。如果堵車時(shí)前方車輛長(zhǎng)時(shí)間停車，就需要駕駛者踩下制動(dòng)踏板，輔助功能十分有限。

改進(jìn)后系統(tǒng)提高了輔助功能，即使堵車時(shí)前方車輛長(zhǎng)時(shí)間停車也能使車輛保持停止?fàn)顟B(tài)。在最初的兩分鐘內(nèi)，可通過(guò)啟動(dòng)ESC的油壓泵，使車輛保持停止?fàn)顟B(tài)。之后，ESC停止工作，代之以EPB(電子駐車制動(dòng))啟動(dòng)并機(jī)械性固定制動(dòng)鉗。這樣便可長(zhǎng)時(shí)間保持停止?fàn)顟B(tài)。

另外，前方車輛追蹤功能方面，將ESC的減速度提高到了0.4G，即上一代系統(tǒng)的1.6倍，即使在高速公路上行駛時(shí)前方車輛緊急減速的情況下，也能在與前方車輛保持距離的同時(shí)追蹤行駛。