孫德生,李 鋒
(1.深圳智者行天下科技有限公司,廣東 深圳 518133;2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 511483)
大型車輛包括大貨車、泥頭車、大巴車、客運車等,這些車有一些共同特點,比如車身高、體積大、軸距長、內(nèi)外輪差大,導(dǎo)致車身周圍存在多個盲區(qū),比如車頭盲區(qū)、車尾盲區(qū)、A柱盲區(qū)、右轉(zhuǎn)軌跡盲區(qū)[1-3]。目前大型車輛依靠多片物理鏡片解決了部分盲區(qū),但在雨霧天容易在物理鏡片上沾水、起霧造成行車時觀察困難,增加了安全隱患。近年來由于大型車輛盲區(qū)問題引發(fā)的交通事故越來越多,利用科技手段解決盲區(qū)問題刻不容緩[4-5]。歐洲ECE R46標(biāo)準(zhǔn)已允許使用電子外后視鏡替代物理鏡片后視鏡,奔馳全新Actros大貨車上已經(jīng)導(dǎo)入電子外后視鏡替代了傳統(tǒng)物理后視鏡,也只解決了側(cè)后方盲區(qū),左右側(cè)車頭盲區(qū)無法覆蓋,只解決了局部的盲區(qū)問題,價格還很昂貴。目前國內(nèi)市面上也有一些盲區(qū)輔助產(chǎn)品,顯示屏幕小,配置的攝像頭夾在外后視鏡桿子上或固定在車身上,很多大型車輛車頭比車廂要窄,安裝在車頭車身就會被擋住,裝在車身上,車頭又兼顧不到,安裝環(huán)境決定了攝像頭需要使用大角度的,但是圖像變形也大,駕駛員參考圖像判斷誤差會較大。
本文提出采取多路攝像頭視頻技術(shù)和使用攝像頭固定新型安裝掛臂的大型車輛電子外后視鏡,既能解決車輛的側(cè)后方和側(cè)前方視覺盲區(qū),又能解決倒車盲區(qū),并且支持DVR錄像功能,有緊急情況需要回放時可快速回放錄像,維護駕駛員合法利益。大尺寸屏幕顯示高清晰度盲區(qū)圖像,可以大大降低大型車輛因為盲區(qū)原因引發(fā)的交通事故,給駕駛員提供更好的行車安全服務(wù)和體驗,整套解決方案經(jīng)濟性和實用性都相當(dāng)突出。
電子外后視鏡解決方案基于MSC8339芯片平臺,接入多路攝像頭,創(chuàng)新設(shè)計了用于攝像頭固定的新型支點掛臂。
電子外后視鏡硬件原理框圖如圖1所示。
圖1 電子外后視鏡硬件原理框圖
主控制器SOC采用MSC8339芯片平臺,ARM Cortex-A7單核800MHz主頻,支持同時輸入兩路攝像頭數(shù)據(jù),支持兩路1080P錄像,支持SDIO WiFi模塊接入,支持聲音輸入輸出,支持SPI Nor、Nand、TF card存儲設(shè)備接入,接入GNSS模塊提供系統(tǒng)時間、位置、速度等,系統(tǒng)設(shè)計了5個硬按鍵和支持紅外遙控作為輸入操作控制。側(cè)后方攝像頭通過一路視頻解串器輸入到主控制器,側(cè)前方攝像頭和倒車攝像頭通過另外一路視頻解串器進行二選一,輸入到主控制器,3個攝像頭分辨率均為1080P。系統(tǒng)配置12.3寸高亮度顯示屏,顯示分辨率為1920×720,亮度高達700nits,超視角,符合RoHs要求[6]。系統(tǒng)采用寬電壓設(shè)計,標(biāo)準(zhǔn)電壓為24V,支持9~36V電源輸入。
大型車輛種類多,從車頭跟車身寬度比較的角度來分,有車頭跟車身寬度非常接近的車,比如大巴車、渣土車;也有車頭比車身窄的車,比如大貨車、掛車、拖車。針對不同特征的車,如果攝像頭采取同一種處理方法難以覆蓋需求。
針對車頭跟車身寬度非常接近的車輛,設(shè)計一個攝像頭短掛臂,如圖2所示。
短掛臂上可以放置2個攝像頭,一個朝后的側(cè)后方攝像頭和一個朝下的側(cè)前方攝像頭,可以小范圍撥動調(diào)節(jié)視角。短掛臂可以安裝在車頭部分,通過打通螺絲固定。
針對車頭比車身窄的車輛,設(shè)計一個攝像頭長掛臂,如圖3所示。
圖2 攝像頭短掛臂
長掛臂的臂膀比較長,約60cm,安裝在車頭上,通過臂膀伸出來攝像頭可以輕松看到側(cè)后方和側(cè)前方的圖像。
圖3 攝像頭長掛臂
電子外后視鏡軟件系統(tǒng)基于嵌入式小系統(tǒng),把多個攝像頭數(shù)據(jù)根據(jù)場景來做分屏顯示,支持DVR錄像、紅外遙控器和硬按鍵輸入控制,支持基于WiFi的手機互聯(lián)功能,包括在線固件升級、電子質(zhì)保等。
電子外后視鏡同時最多只能顯示兩路攝像頭圖像,因此在沒有倒車事件時就分屏顯示側(cè)前方和側(cè)后方的攝像頭圖像,有倒車的時候就顯示側(cè)后方和車尾攝像頭的圖像[7-8]。整個屏幕分辨率為720×1920,側(cè)后方攝像頭水平角度為120°,垂直角度為65°,視野大,車輛行駛過程中注意力也會是重點觀察的區(qū)域,因此將側(cè)后方攝像頭顯示分辨率設(shè)置大一些,為720×1280。由于角度比較大,圖像即使做了一些畸變校正,圖像周邊變形還是會較大一點,因此裁剪掉變形稍大的部分,截取1280×720的圖像大小來做顯示,做到1∶1顯示,變形最小,真實感、距離感都是最好的。側(cè)前方的攝像頭由于是朝下的,水平角度為83°,垂直角度為50°,攝像頭圖像有一部分跟側(cè)后方是有重疊的,因此重點關(guān)注的是正下方和靠車頭部分,通過圖像采樣截取640×720大小的圖像。實際安裝顯示效果如圖4所示。系統(tǒng)兼容設(shè)計倒車攝像頭,在倒車時,自動切換倒車攝像頭來替代側(cè)前方攝像頭,解決后視倒車盲區(qū)問題。
圖4 電子外后視鏡分屏顯示
盲區(qū)圖像顯示的同時能把行駛動態(tài)存儲下來也很重要,有異常狀況時可以及時在本機回放,維護駕駛員權(quán)益。系統(tǒng)使用的主控MSC8339支持兩路1080P圖像H.264硬編碼,存儲到TF卡里,新錄的文件覆蓋最早錄的文件,循環(huán)錄像。系統(tǒng)啟動時間小于3s,工作常態(tài)為開機直接進入分屏顯示視頻畫面,除了跟錄像設(shè)置和回放相關(guān)的操作外幾乎可以不用操作,因此考慮整個系統(tǒng)的設(shè)計成本,不集成觸摸屏,設(shè)計上留了5個硬按鍵和紅外遙控輸入。單獨通過這5個硬按鍵或者通過紅外遙控器能完成系統(tǒng)所有功能操作。
系統(tǒng)硬件設(shè)計上沒有集成通信模塊,但設(shè)計了WiFi模塊,為了手機能與系統(tǒng)互聯(lián),在手機端開發(fā)基于WiFi局域網(wǎng)私有協(xié)議的APP(車智享),來實現(xiàn)一些需要聯(lián)網(wǎng)的功能。
2.3.1 DVR相關(guān)
系統(tǒng)開機后,系統(tǒng)WiFi模塊默認(rèn)為AP模式,手機車智享通過連接電子外后視鏡的熱點,連接成功后手機跟電子外后視鏡就可以完成局域網(wǎng)點對點通信,通過通信可以拿到電子外后視鏡的軟件系統(tǒng)版本、存儲卡的健康狀態(tài)、產(chǎn)品的質(zhì)保信息等,可以做一些錄像的設(shè)置,比如設(shè)置錄像分辨率、碼率、格式化TF卡等。同時基于FTP協(xié)議可以把設(shè)備里面的錄像文件和拍照文件通過WiFi下載到手機上,便于分享和必要的時候展示證據(jù)。
2.3.2 系統(tǒng)固件升級
手機連上電子外后視鏡的WiFi后就不能連接外網(wǎng)了,無法獲取存儲在外網(wǎng)服務(wù)器上的軟件系統(tǒng)版本和電子質(zhì)保信息。在車智享上設(shè)計一個設(shè)備WiFi模式切換的功能,讓手機做熱點AP功能,設(shè)備做STA功能,需要切換的時候通過車智享把手機端擬設(shè)置的熱點名稱和密碼通過私有協(xié)議先發(fā)給設(shè)備,設(shè)備收到后回傳信息到車智享,同時關(guān)閉WiFi熱點,打開AP模式持續(xù)嘗試連接手機熱點[9]。車智享收到確認(rèn)信息后,立馬可以申請關(guān)閉WiFi,同時打開WiFi熱點。待設(shè)備連上手機熱點后,設(shè)備和手機又處于同一個局域網(wǎng)下,不但所有基于局域網(wǎng)的通信可正常操作,此時手機還具備連接外網(wǎng)的能力,連接狀態(tài)邏輯圖如圖5所示。
圖5 連接狀態(tài)邏輯
手機車智享可獲取服務(wù)器上設(shè)備最新的固件程序版本,如果比當(dāng)前設(shè)備的固件程序新,可以一鍵更新固件。車智享通過移動網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器上獲取最新的固件文件,再通過WiFi通信傳送給設(shè)備,設(shè)備把固件儲存到TF卡上,校驗固件沒有異常即可重啟機器自動進入升級模式,升級完成后自動刪除TF卡里的程序免得系統(tǒng)重復(fù)進入升級模式。
2.3.3 電子質(zhì)保設(shè)計
產(chǎn)品都有一個質(zhì)保期,目前通行的做法為做質(zhì)??ǎ也坏劫|(zhì)??艘再徫锇l(fā)票實際為準(zhǔn),再則就是以出廠時間計算。本系統(tǒng)設(shè)計了電子質(zhì)保信息,把電子質(zhì)保信息存儲到云端服務(wù)器,每個機器有唯一條形碼標(biāo)識。系統(tǒng)開機后彈出請激活電子質(zhì)保信息的提示框,在沒有完成電子質(zhì)保信息的情況下每5min彈一次,促進客戶激活電子質(zhì)保。
設(shè)備跟手機車智享連接后,車智享拿到設(shè)備的條形碼查詢云端是否有電子質(zhì)保信息,如果沒有,提示用戶立即在車智享上激活電子質(zhì)保,操作車智享可觸發(fā)激活指令到云端服務(wù)器,同時發(fā)送質(zhì)保信息到設(shè)備端,設(shè)備端把電子質(zhì)保信息存儲到EEPROM,設(shè)備后面每次開機自動查詢EEPROM里是否有電子質(zhì)保信息,如果有就不彈提示框,如果沒有就彈提示框。這種電子質(zhì)保設(shè)計保護了消費者權(quán)益,也便于廠商售后管理。
在陰天、霧天等弱光環(huán)境下,反射后二次衰減,弱光環(huán)境下駕駛員無法觀察清楚,裝備了電子外后視鏡后,實測效果如圖6所示。
下雨等惡劣天氣,玻璃鏡片無法正常光學(xué)反射,不便于觀察側(cè)后方路況的情況,實測效果對比如圖7所示。
夜視環(huán)境下,清晰看見人和物體,后向強光照射下成像清晰不刺眼,如圖8所示。
圖像傳輸?shù)膶崟r性非常重要,視頻圖像的延時主要由攝像頭從采集到輸出圖像、傳輸控制、屏幕顯示延時組成[10]。系統(tǒng)圖像延時實測小于80ms,滿足該類產(chǎn)品的實時性要求。更換成高幀率的攝像頭系統(tǒng)圖像延時能小于60ms,但整個系統(tǒng)的方案成本將明顯增加。
圖6 陰天等弱光環(huán)境下對比
圖7 雨天效果對比
圖8 夜晚弱光環(huán)境下對比
本文詳細(xì)分析了電子外后視鏡的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計,在實測中,對比了各種天氣環(huán)境下物理鏡片和電子外后視鏡的顯示效果,電子外后視鏡各方面都明顯占優(yōu)。系統(tǒng)沒有支持觸摸屏操控上稍顯麻煩,設(shè)計了手機互聯(lián)功能一定程度彌補了操控上的不足,整套系統(tǒng)設(shè)計成本經(jīng)濟性好,實用性佳。國外有不少國家已經(jīng)立法允許使用電子后視鏡來替代物理鏡片方式,國內(nèi)電子內(nèi)后視鏡解決方案既能做電子鏡顯示,又能做物理鏡顯示[10],在一些前裝車廠已經(jīng)導(dǎo)入,在未來幾年內(nèi)也勢必會推進電子外后視鏡的合法性,目前國內(nèi)只能加裝,但市場需求旺盛前景廣闊。