影像技術(shù)在智能汽車的應(yīng)用研究

涂東明，周偉偉，揭琳鋒，郭振江，莊鈺飛

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 智能汽車影像技術(shù)簡(jiǎn)介

智能汽車影像技術(shù)以光學(xué)成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并且以影像設(shè)備為輔助，對(duì)智能汽車應(yīng)用提供了巨大幫助。20 世紀(jì)八九十年代，影像技術(shù)才開始在汽車中應(yīng)用。隨著汽車在人們生活中的普及率越來(lái)越高，人們對(duì)汽車影像技術(shù)的要求也隨之提高，影像技術(shù)在智能汽車行業(yè)的應(yīng)用也逐漸多樣化。首先是倒車影像、行車記錄儀、前置攝像頭等最常見的汽車影像系統(tǒng)；其次是全景影像系統(tǒng)、智能路面識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)泊車系統(tǒng)等中高端配置的汽車影像系統(tǒng)；最后是車道偏離警告系統(tǒng)、車道保持系統(tǒng)、自動(dòng)剎車系統(tǒng)等高級(jí)配置的汽車影像系統(tǒng)[1]。

2 智能汽車影像技術(shù)的應(yīng)用

2.1 倒車影像技術(shù)的應(yīng)用

倒車影像技術(shù)就是采用安裝在汽車尾部的攝像頭裝置，駕駛員通過(guò)汽車內(nèi)部的中控智能顯示屏，大范圍看清汽車尾部障礙物的技術(shù)。最主要的作用就是讓駕駛員在倒車的時(shí)候可以通過(guò)中控智能顯示屏看到汽車尾部一定范圍之內(nèi)的情況，避免倒車的時(shí)候駕駛員由于視線無(wú)法看到汽車尾部的情況而導(dǎo)致剮蹭或其他意外的發(fā)生[2]，讓駕駛員在更安全、更便捷的環(huán)境下進(jìn)行倒車。

倒車影像技術(shù)一般使用90°的攝像頭，不排除某些高端品牌車系使用360°全景環(huán)視技術(shù)。所謂360°全景環(huán)視技術(shù)，就是在汽車車身上安裝4 個(gè)150°～180°的廣角攝像頭，使得駕駛員可以在中控智能顯示屏上隨時(shí)隨刻看清汽車周圍的情況。汽車的盲區(qū)死角等困擾人們多年的問(wèn)題得以徹底解決，給駕駛員日常行車和倒車帶來(lái)更大的便利。因此，現(xiàn)在倒車影像技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類汽車，發(fā)展日益成熟。然而，其自身發(fā)展過(guò)程中也存在一些問(wèn)題。

1） 中控智能顯示屏上的物體會(huì)產(chǎn)生變形。由于倒車影像技術(shù)為了方便駕駛員在倒車的時(shí)候有更好的視野，一般會(huì)在汽車尾部的保險(xiǎn)杠上安裝廣角攝像頭，因此中控智能顯示屏上的物體會(huì)有一定的變形，直接導(dǎo)致駕駛員面對(duì)中控智能顯示屏?xí)r無(wú)法準(zhǔn)確判斷物體距離的遠(yuǎn)近，進(jìn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

2） 攝像頭易被異物遮掩。假如攝像頭附近有異物，比如泥土、灰塵或雨水，就會(huì)影響倒車影像技術(shù)對(duì)地面情況的探測(cè)結(jié)果。駕駛員就無(wú)法從中控智能顯示屏上看到汽車尾部周圍的情況。

3） 攝像頭像素普遍較低。目前倒車影像技術(shù)大都采用電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD） 和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS） 兩種感光元器件。相對(duì)于CMOS 而言，CCD 成像質(zhì)量較好，但是CCD 制作工藝更復(fù)雜，制作成本更高，因此現(xiàn)在大部分的汽車還是采用CMOS 的感光元器件。由于倒車影像技術(shù)所使用的是外置式攝像頭，面對(duì)惡劣的環(huán)境，中控智能顯示屏上的畫面會(huì)模糊不清，駕駛員在倒車的時(shí)候發(fā)生意外的可能性將會(huì)大大上升。

4） 駕駛員難免顧此失彼。由于采用中控智能顯示屏顯示汽車尾部的路面情況，因此駕駛員在使用倒車影像技術(shù)的時(shí)候大部分注意力都集中在中控智能顯示屏上，這也就意味著駕駛員可能會(huì)忽視汽車左右兩側(cè)的情況，也許倒車的時(shí)候僅保證了汽車尾部的安全，而汽車左右兩側(cè)卻因?yàn)檎系K物的阻擋變得面目全非了。

2.2 行車記錄儀的應(yīng)用

行車記錄儀學(xué)名為汽車用事件數(shù)據(jù)記錄儀（Event Data Recorder，EDR），俗稱汽車黑匣子，見圖1。行車記錄儀其實(shí)就是一部車載前置攝像機(jī)，用視頻影像資料來(lái)記錄汽車行駛過(guò)程中的狀況。行車記錄儀的前置攝像機(jī)和普通的車載攝像頭有所不同，由3 個(gè)部分組成：主機(jī)、車速傳感器和數(shù)據(jù)分析軟件。行車記錄儀的主機(jī)包括微處理器、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、顯示屏、按鍵和傳輸裝置等設(shè)備。

圖1 行車記錄儀

由于汽車行車記錄儀能夠真實(shí)有效地記錄交通事故過(guò)程中駕駛員的操作情況，既可以作為交通事故發(fā)生后的調(diào)查依據(jù)，又可以作為監(jiān)督駕駛員是否有違規(guī)操作的重要手段[3]。因此，汽車上安裝行車記錄儀大大提高了駕駛員在行車時(shí)候的安全責(zé)任意識(shí)，進(jìn)而大幅度降低了交通事故發(fā)生的概率。

根據(jù)國(guó)際上多家知名公司在使用汽車行車記錄儀前后交通事故發(fā)生的概率統(tǒng)計(jì)情況表明，汽車行車記錄儀安裝后交通事故發(fā)生的概率較安裝前降低了34%～53%。汽車行車記錄儀在世界上很多國(guó)家都迅速發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)家在汽車上大量使用，甚至還有一些國(guó)家把它作為汽車上的標(biāo)準(zhǔn)配置。

行車記錄儀的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的時(shí)間，從一開始的單向鏡頭，到現(xiàn)在的雙向鏡頭；從一開始只能錄制汽車前方，到汽車前后都能錄制，再到現(xiàn)在能360°環(huán)視汽車四周；攝像頭像素也從一開始較低的10萬(wàn)像素，上升到現(xiàn)在的500萬(wàn)像素。汽車行車記錄儀最大的改變就是在單一的影像錄制功能中整合了智能導(dǎo)航儀、車載網(wǎng)絡(luò)、語(yǔ)音助手等功能。

2.3 影像技術(shù)在智能路面識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

倒車影像技術(shù)和行車記錄儀都是生活中最常見、最直觀的汽車影像技術(shù)應(yīng)用。另外，在汽車上還存在一些其他的影像技術(shù)再開發(fā)利用的應(yīng)用，比如自動(dòng)巡航、智能路面識(shí)別、自動(dòng)剎車等。智能路面識(shí)別系統(tǒng)的工作原理是先利用超聲波或者雷達(dá)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距，計(jì)算出自己的汽車與前后左右車輛的位置距離[4]；再根據(jù)車身上的攝像頭所拍攝周圍的圖像，結(jié)合所測(cè)得的距離，在中控智能顯示屏上按照一定的模擬縮放比例，呈現(xiàn)出當(dāng)時(shí)的路面情況。圖2 為智能路面識(shí)別系統(tǒng)的工作原理示意圖。

圖2 智能路面識(shí)別系統(tǒng)的工作原理示意圖

現(xiàn)在很多城市公共汽車上都安裝了智能路面識(shí)別系統(tǒng)，的確大大降低了公共汽車的交通事故發(fā)生率。駕駛員可以更加集中注意力，尤其是在交通擁堵的路段。未來(lái)智能路面識(shí)別系統(tǒng)會(huì)以更成熟，更完善的形態(tài)出現(xiàn)在各類汽車上。

2.4 影像技術(shù)在自動(dòng)剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用

自動(dòng)剎車系統(tǒng)的工作原理和智能路面識(shí)別系統(tǒng)的工作原理很相似，僅比智能路面識(shí)別系統(tǒng)多了一個(gè)光學(xué)識(shí)別成像環(huán)節(jié)。由于超聲波或者雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)靈敏度太高，很有可能接收到反射回來(lái)的錯(cuò)誤信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)剎車系統(tǒng)誤認(rèn)為汽車周圍有很多存在威脅的物體，從而干擾汽車的正常行駛，因此現(xiàn)在汽車上安裝的自動(dòng)剎車系統(tǒng)一般都采用雙重保險(xiǎn)，即光學(xué)識(shí)別成像和雷達(dá)測(cè)距[5]。這樣的話，不僅可以測(cè)算前方目標(biāo)物體的距離，還可以利用光學(xué)識(shí)別成像的工作原理來(lái)確定物體是否存在威脅。由于目前自動(dòng)剎車系統(tǒng)的造價(jià)成本較高，因此一般都安裝在高級(jí)配置或者頂級(jí)配置的汽車上，未來(lái)自動(dòng)剎車系統(tǒng)會(huì)普及到親民車的行列。第61 頁(yè)圖3 為自動(dòng)剎車系統(tǒng)障礙物識(shí)別的工作原理示意圖。

2.5 影像技術(shù)在車道偏離警告系統(tǒng)中的應(yīng)用

車道偏離警告系統(tǒng)的基礎(chǔ)是光學(xué)識(shí)別原理。由于汽車設(shè)計(jì)制造出來(lái)的時(shí)候就存在著車道偏移率，因此汽車每行駛一段路程，輪胎行駛軌跡就會(huì)存在一定的誤差。車道偏離警告系統(tǒng)利用攝像頭拍攝汽車前部畫面，光學(xué)傳感器接收光學(xué)信號(hào)，再傳遞給電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），結(jié)合汽車本身的行駛方向分析出汽車是否已經(jīng)偏離車道[6]。如果汽車在路面上發(fā)生偏離，系統(tǒng)就會(huì)向駕駛員發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

圖3 自動(dòng)剎車系統(tǒng)障礙物識(shí)別的工作原理示意圖

2.6 影像技術(shù)在車道保持系統(tǒng)中的應(yīng)用

車道保持系統(tǒng)和車道偏離警告系統(tǒng)的各方面都很相近，但是它們之間又存在著些許差異。車道保持系統(tǒng)是在車道偏離警告系統(tǒng)確定汽車偏離正常行駛的車道后，與汽車方向控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，改變偏離的方向，回到正常的方向上面[7]。因此，車道保持系統(tǒng)與車道偏離警告系統(tǒng)是緊密相連的。由于現(xiàn)在這兩個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)研究還不成熟，因此尚未在汽車上大面積推廣。

2.7 影像技術(shù)在自動(dòng)泊車系統(tǒng)中的應(yīng)用

自動(dòng)泊車系統(tǒng)是集各類影像技術(shù)于一體的綜合型應(yīng)用。與倒車影像技術(shù)相比，自動(dòng)泊車系統(tǒng)更先進(jìn)。自動(dòng)泊車系統(tǒng)以雷達(dá)測(cè)距為主，攝像圖片為輔，很好地保證了準(zhǔn)確合適的停車位置[8]?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多汽車上裝載了自動(dòng)泊車系統(tǒng)，未來(lái)自動(dòng)泊車系統(tǒng)會(huì)在更多汽車上普及。圖4 為自動(dòng)泊車系統(tǒng)的工作過(guò)程示意圖。

圖4 自動(dòng)泊車系統(tǒng)的工作過(guò)程示意圖

3 智能汽車影像技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 倒車影像技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技水平的不斷提高，倒車影像技術(shù)會(huì)在不久的將來(lái)發(fā)生日新月異的變化。

1） 汽車倒車影像技術(shù)所使用的攝像頭像素將會(huì)提高?，F(xiàn)在汽車上的攝像頭大多只有30萬(wàn)像素，相信在不久以后汽車上的攝像頭會(huì)像手機(jī)上的攝像頭一樣可以拍出清晰的圖像。駕駛員就可以通過(guò)中控智能顯示屏清清楚楚地看到汽車周圍的情況了。

2） 中控智能顯示屏能夠顯示路面上的立體物體，避免因使用廣角攝像頭而在中控智能顯示屏上出現(xiàn)平面物體變形。駕駛員就能通過(guò)中控智能顯示屏進(jìn)行智能測(cè)距了[9]。

3） 駕駛員可以用遙控器或者語(yǔ)音功能直接操控汽車按照自己的意圖行車或者倒車。如果實(shí)現(xiàn)了這一操作，駕駛員無(wú)需在駕駛室內(nèi)進(jìn)行操作，汽車倒車影像技術(shù)也得到質(zhì)的飛躍。

3.2 行車記錄儀未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)汽車行車記錄儀的質(zhì)量會(huì)越來(lái)越好，功能會(huì)越來(lái)越多，競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)更加激烈，更多前沿的高端技術(shù)也會(huì)在汽車行車記錄儀上得以應(yīng)用。

1） 由于攝像頭像素提高，屏幕圖像將會(huì)更加清晰。隨著科研人員對(duì)未來(lái)智能汽車的不斷研究，汽車行車記錄儀將會(huì)成為未來(lái)汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，不僅可以錄制影像、語(yǔ)音識(shí)別、智能導(dǎo)航等，還可以感知環(huán)境和輔助駕駛。

2） 具有衛(wèi)星定位技術(shù)。衛(wèi)星定位技術(shù)的基本工作原理是將圍繞地球高速運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，衛(wèi)星在地球的終端接收信號(hào)用來(lái)確定目標(biāo)的精準(zhǔn)定位。利用衛(wèi)星定位技術(shù)，在汽車上安裝衛(wèi)星定位終端之后，就能獲取汽車所在位置的地理信息，這與許多影視劇中警察用來(lái)追捕逃犯的情景很像。出于社會(huì)治安和交通運(yùn)輸對(duì)汽車行駛位置管理的需要，衛(wèi)星定位技術(shù)將會(huì)逐步整合到汽車行車記錄儀之中。

3） 具有衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)。由于現(xiàn)在需要對(duì)汽車及駕駛員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，未來(lái)大多數(shù)具備衛(wèi)星定位技術(shù)的汽車行車記錄儀也會(huì)同時(shí)配備衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)。以前國(guó)際上的衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)主流形式是美國(guó)主導(dǎo)的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS） 通信，現(xiàn)在中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite System，BDS） 也逐步走向世界潮流[10]。具備衛(wèi)星定位技術(shù)和衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)的汽車行車記錄儀，能與車輛控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，一方面，通過(guò)對(duì)汽車行車記錄儀的數(shù)據(jù)交換，車輛控制中心可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車狀況的監(jiān)控調(diào)度；另一方面，通過(guò)對(duì)汽車行車記錄儀數(shù)據(jù)的讀取分析，車輛控制中心可實(shí)時(shí)監(jiān)督駕駛員的駕駛行為。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以汽車影像技術(shù)為研究對(duì)象，介紹了各種影像技術(shù)在智能汽車上的應(yīng)用。一是最常見的汽車影像技術(shù)（包括倒車影像技術(shù)和行車記錄儀） 在智能汽車上的應(yīng)用情況。二是中高端配置的汽車影像系統(tǒng)（包括智能路面識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)剎車系統(tǒng)、車道偏離警告系統(tǒng)、車道保持系統(tǒng)、自動(dòng)泊車系統(tǒng)等） 在智能汽車上的應(yīng)用情況。三是倒車影像技術(shù)和行車記錄儀在未來(lái)智能汽車上的發(fā)展趨勢(shì)。汽車影像技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)智能汽車發(fā)展的必經(jīng)之路?，F(xiàn)在最火爆的無(wú)人駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)就是利用汽車影像技術(shù)和測(cè)距技術(shù)了解車輛周圍情況，非常需要汽車影像技術(shù)輔助。未來(lái)智能汽車必將使用數(shù)量更多、技術(shù)更成熟的影像技術(shù)。