預(yù)防碰撞的攝像頭技術(shù)

可自動制動的防碰撞系統(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。

使用攝像頭的系統(tǒng)大致可以按照攝像頭的種類和有無制動控制功能來分類。作為汽車廠商的選裝配置安裝時，可實(shí)現(xiàn)通過ACC(自適應(yīng)巡航控制)和自動制動等功能。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)是只會報(bào)警的簡單系統(tǒng)。

售后市場方面，使用單眼攝像頭的防碰撞系統(tǒng)產(chǎn)品也日益增多。通過結(jié)合使用專用攝像頭與顯示裝置來檢測行人、車輛及車道偏離的產(chǎn)品。荷蘭Mobileye公司在全球42個國家推出了名為“Mobileye C2-270”的產(chǎn)品。智能手機(jī)方面也出現(xiàn)了美國蘋果的“iPhone”和美國谷歌的安卓終端使用的碰撞報(bào)警應(yīng)用，價格極為便宜。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個攝像頭來實(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個國家，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。不僅能通過蜂鳴聲報(bào)警，還能通過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)測與警示(HMW)、前方車輛碰撞警示(FCW)、低速時前方車輛碰撞警示(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，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，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，同時大聲發(fā)出“嗶嗶嗶嗶”的警報(bào)，提醒駕駛者踩制動踏板。

低速時前方車輛碰撞警示：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，鳴響“嗶、嗶”的警報(bào)聲。其作用是防止堵車和等紅綠燈時發(fā)生碰撞。

行人碰撞警示：該功能在檢測到前方30m以內(nèi)有行人時，首先會點(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)汽車時速達(dá)到55km/h以上，無意偏離車道時，顯示器將顯示偏離一側(cè)車道的標(biāo)志，同時發(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，不會發(fā)出報(bào)警聲也不會顯示圖標(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

為了提高檢測性能，使用攝像頭的防碰撞系統(tǒng)必須在安裝時對攝像頭位置進(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，就能夠減少校正作業(yè)耗費(fèi)的時間和勞力。

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、制動器、雨刷、方向指示器、遠(yuǎn)光燈的信號。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：前方車輛、車道線、與前方車輛的距離、與前方車輛的相對速度和相對加速度、車道內(nèi)的前方車輛、彎道、行人。

關(guān)于車輛檢測，識別車輛依照的是對三個特征的檢測，分別是車輛后部的矩形檢測、后輪檢測、兩個尾燈的檢測。系統(tǒng)將通過比對預(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要素。

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

車道線的檢測數(shù)據(jù)將用于車距監(jiān)測及警示、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)于兩個像素。系統(tǒng)將從攝像頭圖像中識別出車道線，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位置，利用卡爾曼濾波器推測車道線。

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，距離碰撞的時間也可以根據(jù)“Z相對速度”的公式求出。

行人檢測的難度要大得多。行人不同于車輛，動作、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。為了在有人走向行駛車道時盡可能縮小檢測延遲，對于車道外行人的檢測必不可少。因此可以容許出現(xiàn)某種程度的誤判。提高行人檢測的精度依靠的是“單幀分類”和“多幀認(rèn)證”兩個步驟。首先通過“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)檢測到行人進(jìn)入車道內(nèi)時提高等級，采取立即發(fā)出報(bào)警等處理方式。

在行人識別中，系統(tǒng)將把推測為行人的圖像分成9個區(qū)域提取特征，結(jié)合多幀的動態(tài)變化提高精度。識別到的VGA分辨率的縱長長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)15萬個廣泛的行人事例(考慮到了動作和停頓、照明、背景圖案、氣象條件、天氣下的可視條件等)的測試數(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)行圖像識別，所以人眼看不到的東西無法識別。在識別車道線時，掉色的車道線、在雨雪覆蓋下難以辨識的車道線可能無法識別。

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)太陽位于靠近地平線的正前方時，攝像頭有時會無法正確識別前方車輛；而且，當(dāng)攝像頭正前方的前窗上有水滴時，系統(tǒng)有可能發(fā)生魚眼鏡頭效應(yīng)，對前方車輛的大小判斷錯誤。

為了改進(jìn)以上問題，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個支持多線程的“MIPS32內(nèi)核”，每個CPU內(nèi)核都配備了VMP(vector microcode processor)。公司計(jì)劃通過靈活分配控制與數(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。“EyeSight”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)來測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，會通過警報(bào)、警告燈及警告制動提醒駕駛者注意，之后自動實(shí)施制動。

減輕碰撞傷害

雖然在碰撞前1.4s實(shí)施制動，從技術(shù)上來說也能做到避免碰撞，但為避免導(dǎo)致駕駛者過分依賴系統(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30萬像素的黑白CCD。在ECU上配備了同為日立制作所制造的圖像處理ASIC以及其它多個微處理器。圖像處理IC由原來能夠編程但價格較高的FPGA改成了ASIC，削減了芯片成本，并提高了處理性能。該IC能夠通過識別圖像的各像素來判斷車輛與對象物間的距離，瞬間將信息發(fā)送至控制電路。控制電路將移動速度與本車車速相同的物體判斷為周圍環(huán)境，將其它障礙物識別為前方車輛及行人等。

在系統(tǒng)中，攝像單元與發(fā)動機(jī)ECU以及制動助力器ECU聯(lián)動，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。減速時通過減小發(fā)動機(jī)輸出功率、啟動制動助力器來降低車速。另外，車速等車輛信息由發(fā)動機(jī)ECU和防側(cè)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(qiáng)化了使用立體攝像頭的駕駛輔助系統(tǒng)“EyeSight”的功能。不僅可啟動自動制動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速度低于30km/h、碰撞可能性較大的情況下，啟動自動制動器，以避免發(fā)生碰撞。在相對速度超過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)也會在碰撞可能性較大時啟動自動制動器，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，原來只能通過啟動ESC(防側(cè)滑裝置)保持停止?fàn)顟B(tài)兩秒鐘，隨后車輛會在發(fā)動機(jī)蠕動力(Creep)的作用下開動。如果堵車時前方車輛長時間停車，就需要駕駛者踩下制動踏板，輔助功能十分有限。

改進(jìn)后系統(tǒng)提高了輔助功能，即使堵車時前方車輛長時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)，可通過啟動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)啟動并機(jī)械性固定制動鉗。這樣便可長時間保持停止?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追蹤行駛。