預防碰撞的攝像頭技術(shù)

可自動(dòng)制動(dòng)的防碰撞系統大多使用支持高速行駛的毫米波雷達，或者適合低速行駛的激光雷達。但需要與車(chē)輛進(jìn)行一體開(kāi)發(fā)，安裝車(chē)型有限，尤其是毫米波雷達，往往價(jià)格較高。而使用攝像頭的話(huà)，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(kāi)發(fā)出外置型產(chǎn)品應用于售后市場(chǎng)。

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

售后市場(chǎng)方面，使用單眼攝像頭的防碰撞系統產(chǎn)品也日益增多。通過(guò)結合使用專(zhuān)用攝像頭與顯示裝置來(lái)檢測行人、車(chē)輛及車(chē)道偏離的產(chǎn)品。荷蘭Mobileye公司在全球42個(gè)國家推出了名為“Mobileye C2-270”的產(chǎn)品。智能手機方面也出現了美國蘋(píng)果的“iPhone”和美國谷歌的安卓終端使用的碰撞報警應用，價(jià)格極為便宜。正如現在智能手機實(shí)現了導航功能一樣，防碰撞系統也在逐步向利用智能手機的方法轉移。

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)現防碰撞功能。Mobileye開(kāi)發(fā)的使用單眼攝像頭的汽車(chē)防碰撞報警系統“MobileyeC2-270”已經(jīng)銷(xiāo)往了全球42個(gè)國家，該公司的圖像處理SoC“EyeQ2”已經(jīng)被應用到了寶馬新款“1系”和沃爾沃車(chē)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(chē)輛和行人碰撞警示、車(chē)道偏離警示、車(chē)距警示。不僅能通過(guò)蜂鳴聲報警，還能通過(guò)顯示裝置向駕駛者報警。具體的報警功能包括5種：前方車(chē)距監測與警示(HMW)、前方車(chē)輛碰撞警示(FCW)、低速時(shí)前方車(chē)輛碰撞警示(UFCW)、行人碰撞警示(PCW)和車(chē)道偏離警示(LDW)。

前方車(chē)距監測與警示：顯示的是本車(chē)與前車(chē)的車(chē)距除以本車(chē)秒速得到的數值。當與前車(chē)的車(chē)距小于2.5s時(shí)，顯示器將顯示車(chē)距的秒數。當車(chē)距小于事先設定的秒數時(shí)，代表車(chē)輛的圖標將變成紅色，并鳴響“嗶”的警報蜂鳴聲。檢測距離最遠為90m左右。

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

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

行人碰撞警示：該功能在檢測到前方30m以?xún)扔行腥藭r(shí)，首先會(huì )點(diǎn)亮紅色的行人標志，在行人進(jìn)入危險距離，可能發(fā)生碰撞的2s前發(fā)出“嗶-嗶-”的蜂鳴聲。

車(chē)道偏離警示：當汽車(chē)時(shí)速達到55km/h以上，無(wú)意偏離車(chē)道時(shí)，顯示器將顯示偏離一側車(chē)道的標志，同時(shí)發(fā)出“嘟嘟嘟嘟嘟嘟嘟”的警告聲。如果是打開(kāi)轉向燈變更車(chē)道，則判斷為有意偏離車(chē)道，不會(huì )發(fā)出報警聲也不會(huì )顯示圖標。

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

小型、低成本化

為了提高檢測性能，使用攝像頭的防碰撞系統必須在安裝時(shí)對攝像頭位置進(jìn)行輸入和校正。立體攝像頭必須仔細調節兩個(gè)攝像頭之間的距離和安裝角度。如果把攝像頭數量減少到1個(gè)，就能夠減少校正作業(yè)耗費的時(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成。電纜盒使用CAN總線(xiàn)等從車(chē)輛讀取速度、制動(dòng)器、雨刷、方向指示器、遠光燈的信號。C2-270除了攝像頭單元和攝像元件之外，還內置了核心部分——圖像處理SoC。

EyeQ2能夠同時(shí)處理汽車(chē)預防式安全系統和防撞輔助系統所必須的以下檢測：前方車(chē)輛、車(chē)道線(xiàn)、與前方車(chē)輛的距離、與前方車(chē)輛的相對速度和相對加速度、車(chē)道內的前方車(chē)輛、彎道、行人。

關(guān)于車(chē)輛檢測，識別車(chē)輛依照的是對三個(gè)特征的檢測，分別是車(chē)輛后部的矩形檢測、后輪檢測、兩個(gè)尾燈的檢測。系統將通過(guò)比對預先保存的幾十種車(chē)輛形狀的圖案，判斷前方物體是否為汽車(chē)。如果是汽車(chē)，系統可以判斷出后輪輪胎的位置。而尾燈則是夜晚重要的檢測要素。

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

車(chē)道線(xiàn)的檢測數據將用于車(chē)距監測及警示、前方車(chē)輛碰撞警示。50m遠的寬度為10cm的車(chē)道線(xiàn)在CMOS傳感器上相當于兩個(gè)像素。系統將從攝像頭圖像中識別出車(chē)道線(xiàn)，根據攝像頭的視野和在前窗上安裝的位置等信息計算出車(chē)道線(xiàn)的寬度及其與車(chē)輛的相對位置，利用卡爾曼濾波器推測車(chē)道線(xiàn)。

與前方車(chē)輛的距離是利用“遠近法原理”計算得出的。因為攝像頭的地面高度(H)已知，所以，路面上前方車(chē)輛接觸地面的位置比水平面上無(wú)限遠的一點(diǎn)(延伸焦點(diǎn)，FOE：focusof expansion)略低幾度。

映射到攝像頭內部的CMOS傳感器上的圖像的高度(y)隨與前車(chē)(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∶f”計算，即可求出與前車(chē)的距離Z。而且，距離碰撞的時(shí)間也可以根據“Z相對速度”的公式求出。

行人檢測的難度要大得多。行人不同于車(chē)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(chē)、電線(xiàn)桿、樹(shù)木等背景圖案區分開(kāi)來(lái)。為了在有人走向行駛車(chē)道時(shí)盡可能縮小檢測延遲，對于車(chē)道外行人的檢測必不可少。因此可以容許出現某種程度的誤判。提高行人檢測的精度依靠的是“單幀分類(lèi)”和“多幀認證”兩個(gè)步驟。首先通過(guò)“單幀分類(lèi)”判斷出“好像是行人”，然后再轉入“多幀認證”，當檢測到行人進(jìn)入車(chē)道內時(shí)提高等級，采取立即發(fā)出報警等處理方式。

在行人識別中，系統將把推測為行人的圖像分成9個(gè)區域提取特征，結合多幀的動(dòng)態(tài)變化提高精度。識別到的VGA分辨率的縱長(cháng)長(cháng)方形行人圖像將在調整到12×36像素后進(jìn)入“單幀分類(lèi)”處理。根據匯總了3~25m范圍內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)的測試數據集進(jìn)行分類(lèi)。

技術(shù)弱點(diǎn)

采用攝像頭技術(shù)的防碰撞報警系統也存在弱點(diǎn)。因為是基于攝像頭進(jìn)行圖像識別，所以人眼看不到的東西無(wú)法識別。在識別車(chē)道線(xiàn)時(shí)，掉色的車(chē)道線(xiàn)、在雨雪覆蓋下難以辨識的車(chē)道線(xiàn)可能無(wú)法識別。

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

為了改進(jìn)以上問(wèn)題，Mobileye公司已經(jīng)著(zhù)手開(kāi)始改進(jìn)圖像處理SoC。目前正在與意法半導體合作開(kāi)發(fā)名為“EyeQ3”的第3代產(chǎn)品。計劃在2014年開(kāi)始供應配備該SoC的產(chǎn)品。EyeQ3內嵌4個(gè)支持多線(xiàn)程的“MIPS32內核”，每個(gè)CPU內核都配備了VMP(vector microcode processor)。公司計劃通過(guò)靈活分配控制與數據處理，使其性能達到EyeQ2的6倍。而且還計劃實(shí)現支持多攝像頭輸入等大容量影像數據處理。如果除了前方之外，攝像頭還能安裝在后方和側面用以獲取信息，應該能實(shí)現更可靠的防碰撞報警系統。

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“EyeSight”的“力獅”及其攝像頭單元、圖像處理LSI?！癊yeSight”系統采用立體攝像頭實(shí)現預防碰撞和0~100km/h的巡航控制。EyeSight使用立體攝像頭而非毫米波雷達或激光雷達來(lái)測量與前方車(chē)輛及行人間的距離。當有與車(chē)輛前方的障礙物相撞的危險時(shí)，會(huì )通過(guò)警報、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，但為避免導致駕駛者過(guò)分依賴(lài)系統，所以富士重工在當年的宣傳中強調，只能做到“減輕由碰撞導致的傷害程度”。

當時(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)識別圖像的各像素來(lái)判斷車(chē)輛與對象物間的距離，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(chē)車(chē)速相同的物體判斷為周?chē)h(huán)境，將其它障礙物識別為前方車(chē)輛及行人等。

在系統中，攝像單元與發(fā)動(dòng)機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)機輸出功率、啟動(dòng)制動(dòng)助力器來(lái)降低車(chē)速。另外，車(chē)速等車(chē)輛信息由發(fā)動(dòng)機ECU和防側滑裝置收集，對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)強化了使用立體攝像頭的駕駛輔助系統“EyeSight”的功能。不僅可啟動(dòng)自動(dòng)制動(dòng)器避免與前方車(chē)輛或障礙物發(fā)生碰撞，還能在使用前方車(chē)輛追蹤功能時(shí)使車(chē)輛保持停止狀態(tài)。富士重工強化了預防碰撞安全功能與前方車(chē)輛追蹤功能。預防碰撞安全功能可在與前方車(chē)輛的相對速度低于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(chē)輛追蹤功能方面，在堵車(chē)等情況下車(chē)輛停止行駛時(shí)，原來(lái)只能通過(guò)啟動(dòng)ESC(防側滑裝置)保持停止狀態(tài)兩秒鐘，隨后車(chē)輛會(huì )在發(fā)動(dòng)機蠕動(dòng)力(Creep)的作用下開(kāi)動(dòng)。如果堵車(chē)時(shí)前方車(chē)輛長(cháng)時(shí)間停車(chē)，就需要駕駛者踩下制動(dòng)踏板，輔助功能十分有限。

改進(jìn)后系統提高了輔助功能，即使堵車(chē)時(shí)前方車(chē)輛長(cháng)時(shí)間停車(chē)也能使車(chē)輛保持停止狀態(tài)。在最初的兩分鐘內，可通過(guò)啟動(dòng)ESC的油壓泵，使車(chē)輛保持停止狀態(tài)。之后，ESC停止工作，代之以EPB(電子駐車(chē)制動(dòng))啟動(dòng)并機械性固定制動(dòng)鉗。這樣便可長(cháng)時(shí)間保持停止狀態(tài)。

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