自動(dòng)駕駛之“眼”
——車載攝像頭技術(shù)的現(xiàn)在與未來(上)

◆文/香港特別行政區(qū) 程增木

車輛自動(dòng)駕駛包括感知、判斷和執(zhí)行，而感知是整個(gè)過程的源頭，是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的重要模塊。在車輛行車過程中，感知系統(tǒng)會通過傳感器實(shí)時(shí)采集周邊環(huán)境的信息，相當(dāng)于自動(dòng)駕駛汽車的“眼睛”，可以幫助汽車實(shí)現(xiàn)類似于人類駕駛員一樣效果的觀察能力。

在自動(dòng)駕駛車輛中，感知系統(tǒng)主要由攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)(可選)等傳感器構(gòu)成。 攝像頭作為主要的環(huán)境感知傳感器起著非常重要的作用，可以實(shí)現(xiàn)360°全面視覺感知，彌補(bǔ)雷達(dá)在物體識別上的缺陷，是最接近人類視覺的傳感器。因此車載攝像頭是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備之一。

一、車載攝像頭的原理及典型應(yīng)用

車載攝像頭主要的硬件結(jié)構(gòu)包括光學(xué)鏡頭(其中包含光學(xué)鏡片、濾光片、保護(hù)膜等)、圖像傳感器、圖像信號處理器ISP、串行器、連接器等器件。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 車載攝像頭的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

光學(xué)鏡頭：負(fù)責(zé)聚焦光線，將視野中的物體投射到成像介質(zhì)表面，根據(jù)成像效果的要求不同，可能要求多層光學(xué)鏡片。濾光片可以將人眼看不到的光波段進(jìn)行濾除，只留下人眼視野范圍內(nèi)的實(shí)際景物的可見光波段。

圖像傳感器：圖像傳感器可以利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號。主要分為CCD和CMOS兩種。

ISP圖像信號處理器：主要使用硬件結(jié)構(gòu)完成圖像傳感器輸入的圖像視頻源RAW格式數(shù)據(jù)的前處理，可轉(zhuǎn)換為YCbCr等格式。還可以完成圖像縮放、自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)聚焦等多種工作。

串行器：將處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，可用于傳輸RGB、YUV等多種圖像數(shù)據(jù)種類。

連接器：用于連接固定攝像頭。

車載攝像頭在制造工藝及可靠性要求方面也要高于工業(yè)攝像頭和商用攝像頭，由于汽車需長期工作在惡劣環(huán)境中，車載攝像頭需要在高低溫環(huán)境、強(qiáng)振動(dòng)、高濕熱等復(fù)雜工況環(huán)境下穩(wěn)定工作，對于工藝制造方面的要求主要如表1所示。

表1 車載攝像頭的工藝需求

目前車上搭載的車載攝像頭根據(jù)安裝位置主要分為為前視攝像頭、環(huán)視攝像頭、后視攝像頭、側(cè)視攝像頭以及內(nèi)置攝像頭五種類別。

前視攝像頭：主要安裝在前擋風(fēng)玻璃上，用于實(shí)現(xiàn)行車的視覺感知及識別功能，根據(jù)功能又可以分為前視主攝像頭、前視窄角攝像頭和前視廣角攝像頭(圖2)。

圖2 特斯拉前視攝像頭模組

前視主攝像頭：該攝像頭在L2的ADAS系統(tǒng)中作為主攝像頭使用。其視場角一般為30°、50°、60°、100°、120°，檢測距離一般為150～170m，攝像頭輸出的格式為RCCB或RCCC。

前視廣角攝像頭：該攝像頭的作用主要是識別距離較近的物體，主要用于城市道路工況、低速行駛等場景，其視場角在120°～150°，檢測距離在50m左右。在后續(xù)8MP鏡頭大規(guī)模裝車后，無需該攝像頭。

前視窄角攝像頭：該攝像頭的主要作用是進(jìn)行紅綠燈、行人等目標(biāo)的識別，一般選用窄角鏡頭，可選擇30°～40°左右的鏡頭。并且該鏡頭的像素一般和前視主攝像頭的鏡頭像素一致，該攝像頭采用窄角度，具有更高的像素密度和更遠(yuǎn)的檢測距離，一般可達(dá)250m甚至可探測更遠(yuǎn)的距離。

在上了8MP攝像頭后，前視主攝像頭的FOV可達(dá)120°，該攝像頭可能就不需要了。檢測距離在60m左右。

環(huán)視攝像頭：主要安裝在車身四周，一般使用4～8個(gè)攝像頭，可分為前向魚眼攝像頭/左側(cè)魚眼攝像頭/右側(cè)魚眼攝像頭/后向魚眼攝像頭。用于全景環(huán)視功能的顯示，以及融合泊車功能的視覺感知及目標(biāo)檢測；常用色彩矩陣為RGGB，因?yàn)橛猩蔬€原的需求。

后視攝像頭：一般安裝在后備箱上，主要是實(shí)現(xiàn)泊車輔助。視場角在120～140°之間，探測距離大概50m。

側(cè)前視攝像頭：安裝在B柱或者車輛后視鏡處，該攝像頭的視場角一般為90°～100°，探測距離大概在80m左右，這個(gè)攝像頭的主要作用是檢測側(cè)向車輛及自行車。

側(cè)后視攝像頭：一般安裝在車輛前翼子板處，該攝像頭的視場角一般為90°左右，探測距離也在80m左右，主要用于車輛變道、匯入其他道路等場景應(yīng)用。

內(nèi)置攝像頭：主要用于監(jiān)測司機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)疲勞提醒等功能。

其中，前視攝像頭價(jià)格相對較高，目前市場價(jià)格處在300～500元水平；其余攝像頭價(jià)格在150～200元左右。

二、目前典型的車載攝像頭搭載方案優(yōu)劣比較

1.特斯拉——純視覺感知的深度擁護(hù)者

特斯拉的Autopilot系統(tǒng)搭載了8個(gè)攝像頭，其中前方攝像頭模組共由3個(gè)攝像頭組成(圖3)，這3個(gè)攝像頭都是基于2015年安森美半導(dǎo)體公司發(fā)布的120萬像素圖像傳感器開發(fā)的，其配備了3個(gè)AR0136A上的CMOS圖像傳感器，像素大小為3.75μm，分辨率為1280×960(1.2MP)。主視野攝像頭：視野能覆蓋大部分交通場景。魚眼鏡頭：視野達(dá)120°的魚眼鏡頭能夠拍攝到交通信號燈、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、低速緩行的交通場景。長焦距鏡頭：視野相對較窄，適用于高速行駛的交通場景，并可以清晰拍攝遠(yuǎn)達(dá)250m的物體。

圖3 特斯拉前置攝像頭模組

前方側(cè)視攝像頭：視場角為90°，前方側(cè)視攝像頭分別位于特斯拉兩側(cè)的B柱上(圖4)，最大探測距離為80m。其能夠探測到高速公路上突然并入當(dāng)前車道的車輛，以及在進(jìn)入視野受限的交叉路口時(shí)進(jìn)行探測。

圖4 特斯拉前方側(cè)視攝像頭

側(cè)方后視攝像頭：最大探測距離為100m，能監(jiān)測車輛兩側(cè)的后方盲區(qū)，在變道和匯入高速公路時(shí)起著重要作用(圖5)。

圖5 特斯拉側(cè)方后視攝像頭

后視攝像頭：探測距離為50m，主要進(jìn)行泊車輔助(圖6)。

圖6 特斯拉后視攝像頭

2.小鵬P7——搭載多攝像頭的車型代表

小鵬P7搭載了14個(gè)攝像頭，我們選擇其中最重要的幾個(gè)攝像頭講解。其中前方攝像頭模組共由3個(gè)攝像頭組成，這3個(gè)攝像頭都是200萬像素，幀率為15/60f/s(圖7)。其中分為遠(yuǎn)距感知攝像頭：視場角為28°，是窄視角的前向攝像頭，可探測150m以上的路面情況。中距感知攝像頭：視場角為52°，是主要的前向攝像頭，可探測30～70m的范圍。遠(yuǎn)距離感知攝像頭：視場角為100°，可探測40m的范圍。

圖7 小鵬P7前攝像頭模組

小鵬P7的側(cè)前視攝像頭安裝在后視鏡處(圖8)，視場角為100°，100萬像素，分辨率是457X237，幀率為30f/s，用于防加塞和側(cè)向車輛的檢測。

圖8 小鵬P7側(cè)視攝像頭

小鵬P7的后視側(cè)邊攝像頭安裝在翼子板上(圖9)，參數(shù)與側(cè)視攝像頭差不多，用于ALC(自動(dòng)變道)、開門預(yù)警和盲區(qū)檢測。

圖9 小鵬P7后視側(cè)邊攝像頭

小鵬P7的后視攝像頭安裝在后備箱處(圖10)，視場角為52°，200萬像素，幀率為30f/s，用于ALC、盲區(qū)檢測和追尾預(yù)警。

圖10 小鵬P7后攝像頭

3.奔馳S級——傳統(tǒng)主機(jī)廠方案的代表

奔馳S級搭載了7個(gè)攝像頭，其中前方攝像頭模組共由2個(gè)雙目立體攝像頭組成，這2個(gè)攝像頭的像素均為1.3MP，其鏡頭光軸之間的距離大概在22～25cm左右，探測的有效距離大約為120m，攝像頭的視場角大約在50°左右，刷新頻率在10Hz左右。供應(yīng)商為大陸汽車電子。該雙目攝像頭可完成3D立體識別功能，可以完成目標(biāo)跟蹤、位置預(yù)測并且配合毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)速度的檢測(圖11)。

圖11 奔馳S級前雙目攝像頭模組

奔馳S級在保險(xiǎn)杠處安裝了一個(gè)攝像頭，該攝像頭是前向魚眼攝像頭，視場角約為120°，配合其他視像頭實(shí)現(xiàn)360°環(huán)視功能(圖12)。

圖12 奔馳S級前魚眼攝像頭

奔馳S級在兩個(gè)后視鏡處各安裝了一個(gè)攝像頭，該攝像頭是側(cè)向魚眼攝像頭，視場角約為120°，配合其他視像頭實(shí)現(xiàn)360°環(huán)視功能(圖13)。

圖13 奔馳S級側(cè)視魚眼攝像頭

奔馳S級的的后視攝像頭安裝在后備箱處，視場角約為120°，200萬像素，配合其他視像頭實(shí)現(xiàn)360°環(huán)視功能(圖14)。

圖14 奔馳S級后視魚眼攝像頭

不同車企攝像頭安裝方案對比如表2所示。從方案中我們可以看到，特斯拉的8個(gè)攝像頭均與行車系統(tǒng)有關(guān)聯(lián)，這與其一直宣傳的不依靠激光雷達(dá)純視覺的自動(dòng)駕駛方案是有較大關(guān)聯(lián)的，特斯拉的這一套方案的最大優(yōu)勢就是：高性價(jià)比。特斯拉用了成本非常低的自研1.2MP攝像機(jī)就實(shí)現(xiàn)了L2+級別的自動(dòng)駕駛。小鵬P7使用了多個(gè)攝像頭，這一套方案的最大優(yōu)勢就是：可拓展性較強(qiáng)。前期方案在設(shè)計(jì)時(shí)需要提高硬件成本，但是在后期OTA升級后，其自動(dòng)駕駛功能具有非常好的兼容性和可拓展性。通過這套傳感器模型，小鵬實(shí)現(xiàn)了具有較好體驗(yàn)的L2+級別的自動(dòng)駕駛功能，包括小鵬極具特色的高速自主導(dǎo)航駕駛(NGP)和停車場記憶泊車功能。奔馳S級是傳統(tǒng)主機(jī)廠方案的代表，雙目立體攝像頭方案是奔馳S級最大的優(yōu)勢。相比于單目攝像頭，雙目攝像頭可以計(jì)算當(dāng)前檢測目標(biāo)在XYZ坐標(biāo)下的運(yùn)動(dòng)情況，判斷檢測目標(biāo)的姿態(tài)及目標(biāo)類型，奔馳在L2級別的ADAS功能的體驗(yàn)效果也比另外兩家好一些。

表2 方案對比

對上文中已經(jīng)量產(chǎn)車型的攝像頭方案分析，我們發(fā)現(xiàn)其都是使用中低像素?cái)z像頭來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能，隨著技術(shù)的發(fā)展與更新，未來更多量產(chǎn)車型及自動(dòng)駕駛解決方案會使用800萬像素?cái)z像頭。（未完待續(xù)）