汽車用攝像頭系統(tǒng)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)體系綜述

張世琦　吳春海

摘 要：文章闡述了進(jìn)行汽車用攝像頭系統(tǒng)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的必要性和意義，介紹了現(xiàn)有汽車用攝像頭系統(tǒng)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)體系與UN-R46/ISO 16505評(píng)價(jià)體系，指出了兩體系間的異同點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了建立基于新時(shí)代下汽車用攝像頭系統(tǒng)產(chǎn)品特性的圖像評(píng)價(jià)體系的展望與建議。關(guān)鍵詞：汽車用攝像頭系統(tǒng);圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)中圖分類號(hào)：U463? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）02-153-04

Abstract： This paper expounds the necessity and significance of image quality evaluation for automotive camera system， introduces the domestic evaluation system of image quality evaluation of existing automotive camera system and UN-R46/ ISO 16505 evaluation system， and points out the similarities and differences between the two systems. The advantages and disadvantages of each system. The paper puts forward the prospects and suggestions for establishing an image evaluation system based on the characteristics of automotive camera systems in the new era.Keywords： Automotive camera system; Image quality evaluationCLC NO.： U463? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-153-04

前言

通話曾經(jīng)是手機(jī)的唯一功能，就如同汽車曾經(jīng)一度只能用于駕駛。社會(huì)在發(fā)展，時(shí)代在改變，帶有攝像頭和各種傳感器的手機(jī)現(xiàn)在是無(wú)處不在的“數(shù)字”助理，而汽車即將成為多傳感器、多攝像頭、多模式的自主人工智能（AI）平臺(tái)。推動(dòng)這種發(fā)展和改變的因素有很多，其中，提升汽車的安全性與高效性的需求是最為顯著的驅(qū)動(dòng)因素。

世界衛(wèi)生組織最近指出，由于道路交通事故，全世界每年有超過(guò)125萬(wàn)人死亡，另有2000萬(wàn)至5000萬(wàn)人遭受非致命傷害，其中許多人因受傷而致殘。這對(duì)個(gè)人及其家庭和整個(gè)國(guó)家造成了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失，相當(dāng)于大多數(shù)國(guó)家國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的約3%^[1]。因此具備駕駛輔助系統(tǒng)的汽車越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞，人們?cè)絹?lái)越需求于行車安全、方便舒適的汽車。

汽車行駛過(guò)程作為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛員作為系統(tǒng)“控制器”，系統(tǒng)輸入為單次駕駛行為的駕駛目的，系統(tǒng)輸出為汽車實(shí)時(shí)狀態(tài)^[2]。為穩(wěn)定“控制器”的控制，避免有限甚至是錯(cuò)誤的主觀判斷，汽車安全駕駛輔助系統(tǒng)可協(xié)助系統(tǒng)“控制器”進(jìn)行決策，提升交通通行質(zhì)量，維護(hù)交通參與者的合法權(quán)益。基于視覺(jué)圖像的感知技術(shù)是汽車安全駕駛輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，因?yàn)橐曈X(jué)圖像最為貼合駕駛員置于車內(nèi)感知車外環(huán)境的傳統(tǒng)目視方法，而正是汽車用攝像頭系統(tǒng)為車輛和駕駛員提供了直觀的視覺(jué)圖像。

與人控車輛相比，先進(jìn)的圖像傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更緊密的車輛間行駛距離，減少不必要的車道寬度，為更寬的人行道、自行車道和其他設(shè)施騰出空間。此外，向自動(dòng)駕駛汽車的過(guò)渡為新的機(jī)動(dòng)性商業(yè)模式帶來(lái)了巨大的機(jī)遇^[3]。汽車即服務(wù)（CaaS）也可為全球大部分人口提供汽車移動(dòng)服務(wù)^[4]，因?yàn)檫@種模式不再需要駕駛執(zhí)照，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的交通解決方案。

雖然汽車用攝像頭系統(tǒng)對(duì)于車輛感知其周圍環(huán)境至關(guān)重要，但迄今為止，在汽車工業(yè)中還沒(méi)有一致的方法來(lái)測(cè)量其圖像質(zhì)量。

1 意義

汽車用攝像頭類系統(tǒng)，包含但不限于攝像監(jiān)視系統(tǒng)（CMS）、車載視頻行駛記錄系統(tǒng)、汽車流媒體后視鏡、汽車用紅外探測(cè)裝置、全景視覺(jué)泊車輔助系統(tǒng)、倒車影像、智能前照燈、高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。諸多汽車用攝像頭類系統(tǒng)，均以視覺(jué)圖像的采集分析傳遞為核心功能，有效提升汽車出行的效率和質(zhì)量。

汽車用攝像頭的圖像質(zhì)量至關(guān)重要，以車載視頻行駛記錄系統(tǒng)（行車記錄儀）為例，作為機(jī)動(dòng)車行駛狀態(tài)的視頻記錄儀，以安全為核心目標(biāo)，可為公安交警處理道路交通事故提供直觀的視頻數(shù)據(jù)，可為機(jī)動(dòng)車駕駛員及乘客提供可追溯的真實(shí)場(chǎng)景記錄，因此其圖像性能，作為功能核心，必須經(jīng)過(guò)考核驗(yàn)證，從而使行車記錄儀記錄的視頻具備對(duì)實(shí)景有足夠流暢清晰的識(shí)別與反應(yīng)，為機(jī)動(dòng)車、機(jī)動(dòng)車駕駛員及其他交通參與者的安全提供技術(shù)保障。

對(duì)某一類產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)一的檢測(cè)驗(yàn)證，是保證產(chǎn)品符合政府、主機(jī)廠以及人民群眾實(shí)際需求的必然要求。長(zhǎng)久以來(lái)，汽車用攝像頭類系統(tǒng)并無(wú)專一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與要求，更多采用其他領(lǐng)域內(nèi)的圖像測(cè)試規(guī)程，無(wú)法滿足車規(guī)級(jí)的評(píng)價(jià)需要，因此，未來(lái)有必要在分析現(xiàn)有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與要求的基礎(chǔ)上，提出并建立一系列連貫關(guān)鍵的量化圖像性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)滿足汽車用攝像頭系統(tǒng)多樣且獨(dú)特的成像條件：復(fù)雜多變的天氣氣候與光照條件。

2 現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系

目前國(guó)內(nèi)可采用的汽車用攝像頭系統(tǒng)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)可分為兩個(gè)體系：一是以QC/T《汽車用攝像頭》為基礎(chǔ)和參照的中國(guó)國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)體系;二是以UN-R46/ISO 16505為核心的攝像監(jiān)視系統(tǒng)（CMS）安全法規(guī)。

QC/T《汽車用攝像頭》與UN-R46/ISO 16505雖面向的攝像頭產(chǎn)品不同，但其大體的測(cè)試布置相類似，且此種測(cè)試布置也是攝像頭類產(chǎn)品進(jìn)行圖像測(cè)試的基礎(chǔ)布置，如圖1所示。

根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目不同，選取不同的圖卡，將攝像頭光軸調(diào)整至與圖卡法線重合，在既定光照條件和滿足圖卡體現(xiàn)在終端圖像中像素?cái)?shù)量要求的情況下進(jìn)行拍攝，根據(jù)攝像頭產(chǎn)品種類的不同，選擇不同的圖像來(lái)源進(jìn)行圖像數(shù)值量化的處理分析。例如，在CMS的圖像評(píng)價(jià)中，用于處理分析的圖像來(lái)源于CMS的監(jiān)視器，在行車記錄儀的圖像評(píng)價(jià)中，用于處理分析的圖像來(lái)源于行車記錄儀的存儲(chǔ)器，而在視覺(jué)泊車輔助系統(tǒng)的圖像評(píng)價(jià)中，用于處理分析的圖像來(lái)源于產(chǎn)品內(nèi)部的視頻流。當(dāng)用于處理分析的圖像來(lái)源于產(chǎn)品監(jiān)視器的情況下，產(chǎn)品監(jiān)視器同樣存在既定光照條件。

兩個(gè)評(píng)價(jià)體系均從產(chǎn)品性能與安全角度出發(fā)對(duì)汽車用攝像頭類系統(tǒng)進(jìn)行圖像評(píng)價(jià)，但國(guó)內(nèi)的體系更多地考量了產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中的量化性能指標(biāo)，而UN-R46/ISO 16505評(píng)價(jià)體系則更多地考量了產(chǎn)品在實(shí)際使用環(huán)境下的安全功效。

2.1 國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)體系

QC/T《汽車用攝像頭》作為國(guó)內(nèi)首個(gè)將影視技術(shù)導(dǎo)入汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，自2015年年初開始調(diào)研，已報(bào)批，預(yù)計(jì)2019年年底發(fā)布。QC/T《汽車用攝像頭》是現(xiàn)行正在制定的流媒體后視鏡、全景視覺(jué)泊車輔助系統(tǒng)、高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、車載視頻行駛記錄系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn)的零部件級(jí)的支持性標(biāo)準(zhǔn)和引用標(biāo)準(zhǔn)，也可作為第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)整車認(rèn)證的參考性標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)依據(jù)，也可作為準(zhǔn)入管理的引用標(biāo)準(zhǔn)。

此體系的圖像考核項(xiàng)如下：幀率、有效像素、視場(chǎng)角、MTF值、SNR、動(dòng)態(tài)范圍、最高照度、最低照度、光軸中心精度、自動(dòng)增益、白平衡、啟動(dòng)時(shí)間、系統(tǒng)延時(shí)、色彩還原、炫光、鬼像，包含了攝像頭系統(tǒng)的色彩性能、分辨率性能、時(shí)間特性以及對(duì)亮暗不同光照環(huán)境下的圖像處理性能。此評(píng)價(jià)體系將汽車用攝像頭系統(tǒng)的圖像質(zhì)量逐項(xiàng)細(xì)化至底層指標(biāo)，以這些指標(biāo)來(lái)限制汽車用攝像頭系統(tǒng)最終輸出的圖像質(zhì)量。諸多指標(biāo)的要求往往來(lái)源于以往測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，參考了照相攝像行業(yè)、安防及消費(fèi)類電子行業(yè)的相關(guān)系統(tǒng)要求，理論推算較少。

幀率，攝像頭系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)成像的次數(shù);有效像素，表征攝像頭系統(tǒng)的像素分布與數(shù)量;視場(chǎng)角，是攝像頭系統(tǒng)的水平垂直視野范圍;MTF值，表征攝像頭系統(tǒng)在正常光照條件下的分辨率質(zhì)量;SNR，信噪比，表征攝像頭系統(tǒng)成像的噪點(diǎn)大小相關(guān)，是視頻信號(hào)的大小與噪聲信號(hào)（無(wú)用信號(hào)）大小的比例;動(dòng)態(tài)范圍，表征攝像頭系統(tǒng)影像層次的分明程度，是攝像設(shè)備能夠記錄的從最黑到最白之間的最大影調(diào)范圍;最高照度，可試驗(yàn)攝像頭系統(tǒng)在午間大照度下的成像能力;最低照度，可試驗(yàn)夜間低照度條件下分辨率質(zhì)量;光軸中心精度，是攝像頭系統(tǒng)的鏡頭光學(xué)校核;自動(dòng)增益，要求攝像頭系統(tǒng)在亮暗、暗亮切換條件下響應(yīng)時(shí)間不高于1s，使車輛在進(jìn)出隧道涵洞時(shí)保持連續(xù)的記錄能力;白平衡，描述了攝像頭系統(tǒng)對(duì)于不同光源照明條件下的被拍攝物體所得到的影像還原應(yīng)具有與人眼在相同照明條件下觀察被拍攝物體相符合的色彩再現(xiàn)的能力;啟動(dòng)時(shí)間和系統(tǒng)延時(shí)，保證了攝像頭系統(tǒng)開機(jī)和正常運(yùn)行下的及時(shí)反應(yīng);色彩還原，即攝像頭系統(tǒng)真實(shí)重現(xiàn)被攝物體顏色的能力，基于CIE 1976色度空間;炫光，由于視野中不適宜的亮度分布，在空間或時(shí)間上存在極端的亮度對(duì)比，以致引起視覺(jué)不舒適和降低物體可見(jiàn)度的視覺(jué)條件，表征了攝像頭系統(tǒng)在極端的亮光照射下的亮度處理能力，炫光模擬了日常成像條件中最為嚴(yán)苛的一種;鬼像，代表了攝像頭系統(tǒng)在視界中存在高亮度點(diǎn)光源引發(fā)的附加像的情況下的亮度處理能力。

MTF值、SNR、動(dòng)態(tài)范圍、最高照度、最低照度、自動(dòng)增益、白平衡、色彩還原均采用如圖1所示的基礎(chǔ)測(cè)試布置，取得不同光照條件（光源類型與照度）下拍攝不同圖卡的圖像進(jìn)行色度、亮度以及調(diào)制傳遞函數(shù)方面的數(shù)字解像;而幀率、啟動(dòng)時(shí)間作為攝像頭系統(tǒng)的時(shí)間特性，多數(shù)采用秒拍法試驗(yàn);有效像素、視場(chǎng)角、光軸中心精度屬于攝像頭系統(tǒng)的硬件參數(shù)驗(yàn)證，分別由圖像播放器、多軸云臺(tái)測(cè)定;炫光、鬼像源于實(shí)際使用時(shí)的惡劣光學(xué)環(huán)境，需要特定的太陽(yáng)光模擬器與鬼像點(diǎn)光源來(lái)模擬光照條件，再對(duì)拍攝圖像進(jìn)行亮度解像。

國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)體系，為兼顧多種汽車用攝像頭類系統(tǒng)，評(píng)價(jià)項(xiàng)較多而雜，覆蓋了目前世界上主流的圖像評(píng)價(jià)項(xiàng)目，但未能針對(duì)不同汽車用攝像頭類系統(tǒng)的實(shí)際使用場(chǎng)景進(jìn)行足夠的模擬測(cè)試，也未能根據(jù)當(dāng)前汽車用攝像頭類系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)而提出全新的測(cè)試評(píng)價(jià)方法。

2.2 UN-R46/ISO 16505評(píng)價(jià)體系

自UN-R46更新至ECE R46/Rve.1/Add.45/rev6/2016版本，世界上首次在安全法規(guī)領(lǐng)域大體明確了攝像監(jiān)視系統(tǒng)（CMS）作為間接視野的最低圖像質(zhì)量要求，規(guī)定了CMS替代傳統(tǒng)光學(xué)視鏡的情況下也必須提供最低限度的行駛安全以及人體工程學(xué)的性能要求。

攝像監(jiān)視系統(tǒng)（CMS），是目前汽車工業(yè)為減輕傳統(tǒng)間接視野裝置的風(fēng)阻、風(fēng)噪、重量，改變目前傳統(tǒng)間接視野裝置固定反射率、存在視野盲區(qū)、直接視野需穿過(guò)車窗的劣勢(shì)，而推出的汽車用攝像頭系統(tǒng)，基本由攝像單元與監(jiān)視器單元構(gòu)成，可針對(duì)不同天氣道路環(huán)境具備多種工作模式，提升惡劣道路環(huán)境下的視野能力。

此體系下的圖像考核項(xiàng)如下：亮度調(diào)整、監(jiān)視器各向同性、亮度和對(duì)比度復(fù)現(xiàn)、灰度等級(jí)復(fù)現(xiàn)、色彩還原、偽影、銳度和視野深度、幾何變形、閃變、時(shí)間特性、放大倍數(shù)和分辨率。此體系重在考核CMS在惡劣光照條件下的圖像工作能力。

亮度調(diào)整，是CMS監(jiān)視器基礎(chǔ)的亮暗調(diào)整功能校驗(yàn);監(jiān)視器各向同性，以亮度為基準(zhǔn)考核了CMS監(jiān)視器的人機(jī)功能能效;亮度和對(duì)比度復(fù)現(xiàn)，對(duì)日間、黃昏、夜間、陽(yáng)光直射四種狀態(tài)下的監(jiān)視器圖像辨識(shí)度實(shí)施亮度解像;灰度等級(jí)復(fù)現(xiàn)，屬于判別CMS對(duì)不同光密度值灰度塊的真實(shí)反映能力，也在一定程度上代表了動(dòng)態(tài)范圍的能力;色彩還原，即CMS真實(shí)重現(xiàn)被攝物體顏色的能力;偽影點(diǎn)光源重現(xiàn)了CMS在夜間對(duì)于后方250m遠(yuǎn)處的車輛近光燈的識(shí)別能力，偽影漏光、偽影光暈和鏡頭耀光辨別了CMS對(duì)于視野內(nèi)存在高亮點(diǎn)光源的情況下的偽影處理能力和保留足夠正常視界的能力;銳度，要求計(jì)算CMS成像中心區(qū)域和70%視場(chǎng)區(qū)域的MTF50值，表征了CMS圖像的銳化清晰程度;視野深度（分辨率），要求CMS在4m、6m和10m的距離上有足夠的清晰度;幾何變形，表征了CMS作為汽車用攝像頭系統(tǒng)的終端圖像畸變程度;閃變，要求CMS監(jiān)視器的閃爍對(duì)于人眼有足夠的“親和”程度;時(shí)間特性，保證了CMS在開機(jī)和正常運(yùn)行下的及時(shí)反應(yīng);放大倍數(shù)，使CMS確認(rèn)具備與傳統(tǒng)間接視野裝置同樣的實(shí)景縮放能力。

此體系下近乎所有的測(cè)試均采用如圖1所示的基礎(chǔ)測(cè)試布置，取得不同光照條件下拍攝不同圖卡的圖像進(jìn)行色度、光度以及調(diào)制傳遞函數(shù)方面的數(shù)字解像，與國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)體系最大的不同在于UN-R46/ISO 16505評(píng)價(jià)體系針對(duì)監(jiān)視器提出了特別的光照條件和專攻的測(cè)試項(xiàng)目，例如監(jiān)視器各向同性。

UN-R46/ISO 16505評(píng)價(jià)體系著重于CMS替代傳統(tǒng)間接視野裝置的安全性能，以人眼觀看CMS監(jiān)視器為基準(zhǔn)，以CMS監(jiān)視器顯示亮度為基礎(chǔ)測(cè)試來(lái)源，可以保證CMS至少具備所替代的傳統(tǒng)間接視野裝置的圖像性能，并在夜間、強(qiáng)光照射下具備更優(yōu)的成像能力。但，UN-R46/ISO 16505評(píng)價(jià)體系規(guī)避了對(duì)CMS的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行底層評(píng)價(jià)（例如明確的信噪比與動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試），也未包含詳盡的道路燈光環(huán)境與天氣環(huán)境進(jìn)行模擬測(cè)試。

3 思考與建議

現(xiàn)行的汽車用攝像頭圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)體系最大的問(wèn)題在于未能及時(shí)跟隨汽車用攝像頭系統(tǒng)的產(chǎn)品進(jìn)步。汽車用攝像頭系統(tǒng)產(chǎn)品已為適應(yīng)復(fù)雜多變的天氣氣候、光照條件和道路環(huán)境進(jìn)行了設(shè)計(jì)改善，但相應(yīng)的測(cè)試手段和方法還停留在傳統(tǒng)影像行業(yè)的水平，未能匹配汽車用攝像頭系統(tǒng)大廣角、高動(dòng)態(tài)范圍的圖像特點(diǎn)，且未能完全重現(xiàn)當(dāng)前交通道路的光學(xué)環(huán)境。

為適應(yīng)當(dāng)今和未來(lái)交通道路的光學(xué)環(huán)境、為駕駛員和車輛提供信息足夠且令人滿意的圖像，應(yīng)著力發(fā)展相應(yīng)的測(cè)試方法與自動(dòng)化動(dòng)態(tài)測(cè)試設(shè)備解決以下問(wèn)題：

（1）LED閃爍問(wèn)題。交通道路的光學(xué)環(huán)境充斥著越來(lái)越多的各色LED光源，LED光源由不同頻率和占空比的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，可以每秒脈沖數(shù)百次，且具有變化的占空比，這類光源對(duì)于人眼是恒定發(fā)光的，但是如若汽車用攝像頭系統(tǒng)沒(méi)有比LED光源“開啟時(shí)段”更短的成像時(shí)間，也就是當(dāng)汽車用攝像頭系統(tǒng)成像定位與LED光源不匹配時(shí)，會(huì)輸出給駕駛員或車輛錯(cuò)誤的燈光信息，例如觀察到后方車輛閃爍的前照燈或無(wú)法辨別交通信號(hào)燈的狀態(tài)，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患。

（2）圖像愉悅度與圖像實(shí)用性的平衡。例如，為了獲得對(duì)實(shí)景細(xì)節(jié)有足夠反饋的夜間圖像，會(huì)不得不降低圖像的信噪比，出現(xiàn)明顯噪點(diǎn)，而人眼對(duì)于噪點(diǎn)非常敏感，人眼更傾向于觀看高對(duì)比度、高信噪比的圖像。需要定義甚至是重新提出足夠平衡的參數(shù)來(lái)同時(shí)滿足圖像實(shí)用性與人眼觀看圖像愉悅度的矛盾要求。

（3）機(jī)器視覺(jué)成像評(píng)估。高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）所用的機(jī)器視覺(jué)目前不存在專用的系統(tǒng)級(jí)別圖像評(píng)價(jià)方法，如若ADAS圖像鏈出現(xiàn)失誤，將導(dǎo)致嚴(yán)重的道路交通安全事故。

其他例如全景視覺(jué)泊車輔助系統(tǒng)的全景圖像評(píng)價(jià)、高動(dòng)態(tài)范圍與色彩穩(wěn)定性、SNR穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)模糊度關(guān)聯(lián)下的評(píng)價(jià)，也都需要進(jìn)一步的研究發(fā)展。

實(shí)際上，IEEE P2020工作組自2016年開始汽車用攝像頭系統(tǒng)圖像質(zhì)量專用評(píng)價(jià)體系的研究與制定，致力于定義汽車用攝像頭系統(tǒng)圖像質(zhì)量的專有指標(biāo)、對(duì)目前諸多種類的汽車用攝像頭系統(tǒng)提出特有的測(cè)試方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車用攝像頭系統(tǒng)圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)必將逐步達(dá)成一個(gè)統(tǒng)一的、可以被廣泛接受的解決方案。

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