車(chē)載攝像頭的工作原理、分類及仿真驗(yàn)證

01前言

目前，車(chē)載攝像頭傳感器是主流的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)傳感器之一，視覺(jué)感知的方案也是大多數(shù)汽車(chē)廠商的感知融合方案的重要組成部分。攝像頭技術(shù)成熟且價(jià)格適中，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將會(huì)是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)傳感器的優(yōu)選方案。

02工作原理

車(chē)載攝像頭由鏡頭、CMOS/CCD圖像傳感器、圖像信號(hào)處理器以及串行器組成。它的工作原理是：物體表面反射的光線通過(guò)鏡頭入射到CMOS/CCD圖像傳感器，圖像傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳遞給圖像信號(hào)處理器，圖像信號(hào)處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行圖像濾波和增強(qiáng)，并通過(guò)串行器對(duì)處理過(guò)的圖像信息進(jìn)行串行化后傳輸給域控制器。

圖1車(chē)載攝像頭工作原理示意圖

攝像頭重要參數(shù)包括：

焦距，是鏡頭光學(xué)中心到感光元件成像平面的距離，焦距與探測(cè)范圍成正比，焦距越大，一般其探測(cè)范圍就越遠(yuǎn)；

視場(chǎng)角，分為水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角，描述攝像頭的視野角度；

分辨率，攝像頭畫(huà)面中X軸像素點(diǎn)數(shù)乘以Y軸的像素點(diǎn)數(shù)，分辨率越高，畫(huà)面越清晰；

信噪比，是信號(hào)電壓對(duì)噪聲電壓的比值，信噪比越高表明產(chǎn)生的雜波信號(hào)越少，圖像的信號(hào)質(zhì)量也就越好；

動(dòng)態(tài)范圍，指拍攝的同一個(gè)畫(huà)面內(nèi)，能正常顯示細(xì)節(jié)的最亮和最暗物體的亮度值所包含的那個(gè)區(qū)間。動(dòng)態(tài)范圍越大，過(guò)亮或過(guò)暗的物體在同一個(gè)畫(huà)面中都能正常顯示的程度也就越大。

03分類及其應(yīng)用

車(chē)載攝像頭根據(jù)安裝位置分為五類：前視、后視、側(cè)視、環(huán)視以及內(nèi)置攝像頭。

圖2車(chē)載攝像頭布置圖

前視攝像頭，前視攝像頭一般安裝在前擋風(fēng)玻璃的上方，用于目標(biāo)識(shí)別和測(cè)距測(cè)速，根據(jù)功能，又可以分為前視主攝像頭、前視廣角攝像頭以及前視長(zhǎng)焦攝像頭。

前視主攝像頭，視場(chǎng)角60-80°左右，探測(cè)距離150m左右，用于監(jiān)測(cè)車(chē)輛前方的寬闊視野，基本上能夠覆蓋大部分交通場(chǎng)景。

前視廣角攝像頭，視場(chǎng)角120° - 150°左右，探測(cè)距離在50 m左右的魚(yú)眼攝像頭，能夠拍攝到交通信號(hào)燈、行駛路線上的障礙物和距離較近的物體，非常適用于城市街道、低速緩行的交通場(chǎng)景。

前視長(zhǎng)焦攝像頭，視場(chǎng)角30°左右，探測(cè)距離可達(dá)250 m以上，視野相對(duì)較窄，適用于高速行駛的交通場(chǎng)景。

后視攝像頭，視場(chǎng)角120-140°左右，探測(cè)距離50 m左右。一般安裝在后備箱上，主要功能是實(shí)現(xiàn)泊車(chē)輔助。

側(cè)視攝像頭，視場(chǎng)角一般為 90°-100°，探測(cè)距離80 m 左右，安裝在車(chē)輛兩側(cè)的中間位置，主要作用是檢測(cè)側(cè)向車(chē)輛及自行車(chē)。

環(huán)視攝像頭，安裝在車(chē)身四周，一般使用4-8個(gè)魚(yú)眼攝像頭，可分為前向魚(yú)眼攝像頭/左側(cè)魚(yú)眼攝像頭/右側(cè)魚(yú)眼攝像頭/后向魚(yú)眼攝像頭。用于全景環(huán)視功能的顯示，以及融合泊車(chē)功能的視覺(jué)感知及目標(biāo)檢測(cè)。

內(nèi)置攝像頭，一般安裝在中控臺(tái)，正對(duì)著駕駛員的面部，用于監(jiān)控駕駛員的駕駛狀態(tài)，進(jìn)行疲勞提醒等。

（1）攝像頭的優(yōu)點(diǎn)包括：

種類齊全，技術(shù)成熟，攝像頭在日常生活中用處廣泛，衍生出了不同焦距和視場(chǎng)角的產(chǎn)品，覆蓋了車(chē)載的需求；

成本適中，相比于昂貴的激光雷達(dá)，攝像頭的價(jià)格是更加低廉的；

性能強(qiáng)大，攝像頭能夠探測(cè)到物體的顏色、紋理、輪廓、亮度信息，對(duì)于識(shí)別紅綠燈、交通標(biāo)志這種帶有顏色特征的目標(biāo)具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

（2）攝像頭的局限性體現(xiàn)在：

攝像頭傳感器易受光線影響，在黑夜、雪天、雨天等能見(jiàn)度下降的條件下，攝像頭的性能會(huì)下降；

攝像頭傳感器的測(cè)試測(cè)距能力略差于雷達(dá)，雷達(dá)可根據(jù)多普勒效應(yīng)直接計(jì)算目標(biāo)的距離和速度，攝像頭則依賴算法估計(jì)，準(zhǔn)確性不如雷達(dá)。

04仿真驗(yàn)證

攝像頭的仿真驗(yàn)證是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)仿真的一部分，主要有兩種形式：一種是暗箱仿真，另外一種是視頻注入。

暗箱仿真，預(yù)先準(zhǔn)備一個(gè)暗箱，內(nèi)置高清顯示器、增距透鏡以及攝像頭支架，將待仿真的攝像頭放在支架上，通過(guò)調(diào)整支架使顯示器、透鏡、攝像頭的中心點(diǎn)在同一條水平線上。顯示器播放仿真的場(chǎng)景畫(huà)面，使用增距透鏡對(duì)畫(huà)面進(jìn)行放大，確保放大后的畫(huà)面能夠布滿攝像頭感光元件的表面。攝像頭通過(guò)增距透鏡實(shí)時(shí)拍攝放大后的畫(huà)面，并將圖像信息處理后回傳，就完成了攝像頭的仿真。

圖3視頻暗箱工作原理示意圖

視頻注入，將仿真場(chǎng)景視頻流直接通過(guò)HDMI協(xié)議傳送到視頻注入單元，該視頻注入單元能將HDMI視頻轉(zhuǎn)碼為符合GMSL協(xié)議的串行數(shù)據(jù)流，然后將串行的數(shù)據(jù)流注入到域控制器中。

圖4視頻注入仿真原理示意圖

由上可以總結(jié)得出，不管哪種仿真方式，都離不開(kāi)仿真場(chǎng)景，且場(chǎng)景中至少應(yīng)該包含攝像頭模型、車(chē)輛模型、目標(biāo)模型。其中攝像頭模型提供仿真畫(huà)面的視角，也就是說(shuō)傳輸給暗箱或者視頻注入模塊的畫(huà)面是通過(guò)攝像頭視角“看”到的；車(chē)輛模型是用來(lái)安放待測(cè)的攝像頭的，攝像頭的位置決定了它的功能；目標(biāo)模型即為攝像頭拍攝的目標(biāo)，可以是其他車(chē)輛、行人、標(biāo)志標(biāo)線、路牌等等。

西門(mén)子的場(chǎng)景仿真軟件Prescan的一大特點(diǎn)就是具備豐富的傳感器模型，其中就包括2款攝像頭傳感器——普通單目攝像頭和魚(yú)眼攝像頭。

圖5攝像頭模型安裝位置設(shè)置

以普通單目攝像頭模型為例，在Prescan中，可以設(shè)置攝像頭的安裝位置，包括XYZ位置和沿XYZ方向轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，且可以直觀地在預(yù)覽界面中觀察。

圖6攝像頭傳感器參數(shù)設(shè)置

還可以設(shè)置攝像頭模型的分辨率、幀率、顏色模式、焦距、鏡頭尺寸、渲染范圍。除此之外，Prescan的攝像頭傳感器還可以添加各種效果，比如模糊、HDR、等立體角、正交投影、平射投影、雨滴效果、臟污效果等。

有了攝像頭模型，攝像頭仿真驗(yàn)證的問(wèn)題也就迎刃而解了：

根據(jù)實(shí)際的攝像頭參數(shù)來(lái)配置攝像頭模型的參數(shù)；

搭建場(chǎng)景，并輸出攝像頭視角的畫(huà)面；

使用暗箱或者視頻注入的方式將畫(huà)面信息傳遞給域控制器；

域控制器根據(jù)獲得的畫(huà)面信息，確定是否激活相應(yīng)的自動(dòng)駕駛功能。

05結(jié)語(yǔ)

車(chē)載的攝像頭傳感器的探測(cè)范圍和視場(chǎng)角都十分靈活，既可以遠(yuǎn)程探測(cè)，也可以輔助泊車(chē)；既可以定點(diǎn)識(shí)別，也可以全景影像化；既可以描述輪廓，又能夠辨別色彩。用一種傳感器覆蓋了好幾種其他傳感器的功能，這也是某些主機(jī)廠敢于使用純視覺(jué)感知方案的原因。攝像頭有自己弱勢(shì)的地方，但總的來(lái)說(shuō)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域是不可或缺的。

作為自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試的一部分，攝像頭仿真的核心是攝像頭傳感器模型，優(yōu)質(zhì)的傳感器模型能夠通過(guò)一系列參數(shù)設(shè)置，最大程度地還原攝像頭視角下的畫(huà)面，讓仿真測(cè)試的結(jié)果更有說(shuō)服力。

審核編輯：湯梓紅