車載CMS系統(tǒng)中汽車信號燈的顯示問題

楊 通,王早早,卜偉理

(上海機(jī)動(dòng)車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

引言

近年來隨著電子技術(shù)和智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，車載攝像監(jiān)控系統(tǒng)(CMS)開始應(yīng)用到汽車上，部分替代或者補(bǔ)充光學(xué)后視鏡的功能，為駕駛員提供額外的視野，反饋保障安全駕駛所必須的道路信息。日本和歐盟地區(qū)已經(jīng)修改法規(guī)，允許在車輛上使用CMS系統(tǒng)完全替代光學(xué)后視鏡，國內(nèi)相關(guān)法規(guī)也在修訂當(dāng)中。

需要引起注意的是，CMS系統(tǒng)作為一種新的汽車零部件，對于汽車的主動(dòng)安全性能有重要影響，其圖像質(zhì)量問題更是引起重點(diǎn)關(guān)注[1]。2018年，IEEE P2020工作組發(fā)布了白皮書，提出了有關(guān)汽車攝像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量問題，涉及到人眼視覺和機(jī)器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域[2]。P2020白皮書中提到LED閃爍可能導(dǎo)致圖像信息丟失，以及動(dòng)態(tài)范圍不足導(dǎo)致的圖像模糊等問題，這些問題對于駕駛員和輔助駕駛系統(tǒng)可能造成嚴(yán)重影響。

為了保證行車安全，CMS系統(tǒng)提供的圖像信息應(yīng)最大程度的還原周圍道路信息，其中道路車輛的信號燈具是關(guān)鍵信息之一，汽車信號燈展示了車輛的行駛狀態(tài)，在保障行車安全方面發(fā)揮重要作用。有關(guān)汽車信號燈在CMS系統(tǒng)中的表現(xiàn)還未見有相關(guān)研究報(bào)道。

本文結(jié)合汽車燈具的國內(nèi)法規(guī)要求，設(shè)計(jì)試驗(yàn)對于汽車信號燈在車載CMS系統(tǒng)中的顯示問題進(jìn)行驗(yàn)證，并分析可能帶來的安全性問題。

1 汽車信號燈具國內(nèi)法規(guī)分析

國內(nèi)對于汽車信號燈的法規(guī)技術(shù)要求與歐盟ECE標(biāo)準(zhǔn)基本一致，相關(guān)要求根據(jù)技術(shù)指標(biāo)可以概括為兩個(gè)方面：

1)色度要求。國標(biāo)中對于信號燈的光色有明確要求，比如制動(dòng)燈、后位燈為紅色，前位燈、晝間行駛燈為白色、轉(zhuǎn)向燈為琥珀色，同時(shí)對于各種光色的色坐標(biāo)規(guī)定了嚴(yán)格的邊界范圍。各功能規(guī)定不同光色是為了方便辨識，并且為了使各燈具工作時(shí)不至于造成誤解和干擾，法規(guī)還規(guī)定了車輛前方不可見紅光，車后不可見白光(倒車燈除外)。

2)亮度要求。國標(biāo)中對于各功能信號燈的發(fā)光強(qiáng)度都有限值要求，設(shè)定了最大和最小發(fā)光強(qiáng)度。設(shè)定發(fā)光限值是為了信號指示足夠醒目，同時(shí)又不至于過亮對其他道路使用者造成干擾。同時(shí)對于一些特定類型的燈具有補(bǔ)充要求，如制動(dòng)、后位燈功能混合的燈具，兩功能同時(shí)點(diǎn)亮和后位燈單獨(dú)點(diǎn)亮的發(fā)光強(qiáng)度比值應(yīng)不小于5，即制動(dòng)燈的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)至少4倍于后位燈，這一條款的設(shè)計(jì)是為了保證兩個(gè)功能亮度有明顯的區(qū)別，便于識別。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測試

通過以上分析，結(jié)合已知的汽車攝像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量問題，本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注汽車信號燈在CMS系統(tǒng)中的功能可辨識度。試驗(yàn)方案如下：

選用的測試設(shè)備為成像式色度亮度計(jì)，可快速測試目標(biāo)物色度與亮度。測試燈具樣品為LED汽車后組合燈，包含制動(dòng)燈與后位燈功能，同時(shí)選取具有內(nèi)后視鏡功能的CMS產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)樣品。使用色度亮度計(jì)設(shè)備分別測試燈具樣品和CMS產(chǎn)品屏幕中的燈具樣品圖像，從光色、亮度、閃爍特性等幾個(gè)方面進(jìn)行測定。

2.1 光色

選取LED汽車后組合燈中的后位燈功能為測試目標(biāo)。根據(jù)《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規(guī)定》(GB 4785—2019)，汽車后位燈的光色應(yīng)為紅色，色品坐標(biāo)邊界為y≤0.335，y≥0.980-x。

點(diǎn)亮后位燈功能進(jìn)行測試，色度亮度計(jì)直接測試燈具樣品，測試圖片如圖1所示，圖2為對應(yīng)CMS屏幕測試圖片，目視觀察可發(fā)現(xiàn)，燈具后位燈光色為正常紅色，而CMS屏幕輸出的后位燈圖像顏色整體偏白，部分區(qū)域呈現(xiàn)明顯白色，與樣品實(shí)際輸出光色差距明顯。

圖1 后位燈測試圖像Fig.1 Test image of rear position lamp

圖2 CMS屏幕顯示的后位燈圖像Fig.2 Test image of rear position lamp displayed on the screen

在上述后位燈圖像區(qū)域分別選取兩個(gè)點(diǎn)，記錄色度亮度計(jì)輸出測試結(jié)果，圖1中P1、P2點(diǎn)色坐標(biāo)結(jié)果為(x=0.7346，y=0.2653)、(x=0.7325，y=0.2674)，位于法規(guī)要求的色品坐標(biāo)范圍內(nèi)。圖2中P1、P2點(diǎn)色坐標(biāo)為(x=0.3651，y=0.3354)、(x=0.3891，y=0.2581)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離規(guī)定的色品坐標(biāo)范圍。

根據(jù)色度測試結(jié)果可知，該CMS系統(tǒng)對被測后位燈進(jìn)行采集成像后，輸出的燈具圖像光色失真嚴(yán)重，光色表現(xiàn)不符合相關(guān)法規(guī)限值要求，并且也不符合車后不可見白光的規(guī)定，判斷CMS系統(tǒng)輸出顏色失真是因?yàn)橄鄼C(jī)曝光過度導(dǎo)致，相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍不足，不能準(zhǔn)確采集光信號。在實(shí)際使用中，失真的發(fā)光色度信息會(huì)對駕駛員的判斷造成干擾，甚至導(dǎo)致駕駛員對周圍車輛狀態(tài)的誤判。

2.2 亮度

同時(shí)點(diǎn)亮被測燈具的后位燈與制動(dòng)燈功能，以評判被測CMS系統(tǒng)對不同亮度區(qū)域的表現(xiàn)能力。使用色度亮度計(jì)直接測試被測燈具，測試圖片如圖3所示。目視觀察，后位燈發(fā)光區(qū)域和制動(dòng)燈發(fā)光區(qū)域亮度差別明顯。在圖中后位燈和制動(dòng)燈發(fā)光區(qū)域中心位置分別選取兩個(gè)點(diǎn)，在亮度色度計(jì)中讀取亮度數(shù)據(jù)，后位燈發(fā)光區(qū)域中P1為212 cd/cm2，P2為189 cd/cm2；制動(dòng)燈發(fā)光區(qū)域中P3為2 170 cd/cm2，P4為2 146 cd/cm2。

圖3 后位燈和制動(dòng)燈測試圖像Fig.3 Test image of rear position lamp and stop lamp

使用色度亮度計(jì)測試CMS屏幕輸出的燈具圖像，如圖4所示。目視觀察，后位燈發(fā)光區(qū)域和制動(dòng)燈發(fā)光區(qū)域亮度無明顯差別。選取圖中亮度數(shù)據(jù)，后位燈發(fā)光區(qū)域P1點(diǎn)194 cd/cm2，P2點(diǎn)為191 cd/cm2；制動(dòng)燈發(fā)光區(qū)域中P3為206 cd/cm2，P4為214 cd/cm2。

圖4 CMS屏幕顯示的后位燈與制動(dòng)燈圖像Fig.4 Test image of rear position lamp and stop lamp displayed on the screen

可以看出，對于具有明顯亮度差異的發(fā)光面，該CMS系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像中并沒有真實(shí)反映出這一差異，在圖像中無法通過亮度來區(qū)分后位燈和制動(dòng)燈功能。國標(biāo)GB 5920—2019中要求對于混合制動(dòng)后位燈，兩功能的發(fā)光強(qiáng)度需滿足比例要求，已達(dá)到便于識別功能的效果，而劣化的CMS圖像質(zhì)量使這一設(shè)計(jì)效果無法實(shí)現(xiàn)。

2.3 閃爍特性

P2020白皮書中指出對于類似紅綠燈的閃爍LED，攝像系統(tǒng)采集的圖像信息可能會(huì)有丟失，甚至可能引起觀察者的嚴(yán)重不適。在汽車燈具領(lǐng)域，常使用電壓的脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)來實(shí)現(xiàn)對于信號燈發(fā)光強(qiáng)度的控制，使用PWM的汽車信號燈工作中也處于快速閃爍狀態(tài)。為了驗(yàn)證汽車信號燈的閃爍在CMS中的顯示效果，使用PWM控制器對于被測燈具信號燈功能的閃爍頻率進(jìn)行控制。設(shè)定不同的頻率，觀察CMS中后位燈圖像的表現(xiàn)。

設(shè)定閃爍頻率為45 Hz，CMS屏幕中后位燈圖像已經(jīng)有明顯的閃爍現(xiàn)象。繼續(xù)降低閃爍頻率至25 Hz，圖像閃爍已經(jīng)非常嚴(yán)重。使用1/4 000相機(jī)快門速度，拍攝屏幕圖像，記錄到后位燈發(fā)光和不發(fā)光狀態(tài)的圖片，如圖5和圖6所示，這是由于較短的曝光時(shí)間導(dǎo)致相機(jī)拍攝時(shí)有一定幾率剛好錯(cuò)過燈具發(fā)光狀態(tài)。

圖5 閃爍燈具的發(fā)光圖像Fig.5 Luminous condition image of a flashing lamp

圖6 閃爍燈具的不發(fā)光圖像Fig.6 Non-luminous condition image of a flashing lamp

汽車LED信號燈閃爍在不同應(yīng)用領(lǐng)域都可能造成影響。對于CMS系統(tǒng)，LED閃爍可能使圖像顯示質(zhì)量下降，閃爍的圖像也會(huì)影響駕駛員的注意力和舒適度，更嚴(yán)重可能會(huì)造成誤判，比如將位置燈誤判為轉(zhuǎn)向燈。在機(jī)器視覺應(yīng)用中，LED閃爍造成的圖像信息丟失，可能影響基于圖像傳感技術(shù)的輔助駕駛系統(tǒng)的正常功能。

3 總結(jié)分析

通過上述的試驗(yàn)結(jié)果及分析，可以得出結(jié)論，車載CMS系統(tǒng)中汽車信號燈的顯示可能出現(xiàn)一系列的圖像質(zhì)量問題，影響信號燈的正常信號指示功能。結(jié)合汽車燈具國標(biāo)要求分析，相關(guān)問題和影響主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

從光色表現(xiàn)看，由于攝像頭動(dòng)態(tài)范圍不足，CMS系統(tǒng)對于汽車信號燈的光色還原可能出現(xiàn)偏差，偏離法規(guī)要求的色坐標(biāo)范圍。對于紅色信號燈，如制動(dòng)燈、后位燈，以及琥珀色信號燈，如轉(zhuǎn)向燈，屏幕中可能顯示為白色，與原有的白色信號燈，如倒車燈容易混淆，會(huì)對駕駛員造成誤導(dǎo)，駕駛員如果依據(jù)錯(cuò)誤的光色信息進(jìn)行操作可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

從亮度表現(xiàn)來看，CMS可能出現(xiàn)的問題是對于不同亮度的信號燈功能不能進(jìn)行區(qū)分顯示。這個(gè)同樣是由于攝像頭的動(dòng)態(tài)范圍不足，圖像過曝導(dǎo)致亮度細(xì)節(jié)無法還原。汽車燈具國標(biāo)中已經(jīng)明確規(guī)定了各信號燈功能的亮度范圍，便于駕駛員進(jìn)行識別判斷，如果CMS系統(tǒng)無法有效顯示不同功能的亮度光度區(qū)別，同樣會(huì)對駕駛員的判斷造成干擾。

使用PWM技術(shù)的LED汽車信號燈可能在CMS顯示中表現(xiàn)為閃爍圖像，而這種閃爍現(xiàn)象會(huì)對信號功能的識別帶來嚴(yán)重影響。首先這將影響駕駛員的主觀視覺感受和注意力，同時(shí)可能造成駕駛員將閃爍圖像誤判為轉(zhuǎn)向燈圖像。另外，對于依賴圖像感知技術(shù)的輔助駕駛功能，LED閃爍可能導(dǎo)致圖像信息的丟失，影響信號識別的效率和準(zhǔn)確率。

以上問題中，光色與亮度問題與CMS產(chǎn)品本身的技術(shù)水平相關(guān)，目前國外CMS產(chǎn)品法規(guī)中已經(jīng)對色彩還原、對比度等相關(guān)指標(biāo)做了要求，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)也在修訂中，提升CMS產(chǎn)品硬件指標(biāo)可以有效減少甚至消除相關(guān)問題。對于LED閃爍問題，法規(guī)中還沒有明確的指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范，還需要進(jìn)一步深入研究。