光環(huán)境條件對(duì)于車(chē)載CMS產(chǎn)品對(duì)比度性能的影響

文/楊 通 王 瑋

在汽車(chē)新四化的發(fā)展趨勢(shì)下，攝像機(jī)–監(jiān)視器系統(tǒng)（CMS）成為智能座艙的重要組成部分，受到眾多主機(jī)廠的重視。CMS 作為一種間接視野裝置，除了具備傳統(tǒng)光學(xué)視鏡的功能，為駕駛員提供駕駛車(chē)輛周?chē)囊曇?，還具有更大的視野范圍、更小的行車(chē)風(fēng)阻等優(yōu)點(diǎn)。2016 年，歐盟更新了間接視野裝置標(biāo)準(zhǔn)《關(guān)于批準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車(chē)輛間接視野裝置和就間接視野裝置的安裝方面的統(tǒng)一規(guī)定》（UN R46），在車(chē)輛上正式允許CMS 完全替代光學(xué)視鏡。2022 年12 月，我國(guó)修訂發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)動(dòng)車(chē)輛 間接視野裝置 性能和安裝要求》（GB 15084–2022）。與2013 版舊標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)增加了CMS 的技術(shù)要求與試驗(yàn)方法，允許CMS 完全替代傳統(tǒng)光學(xué)視鏡。

在我國(guó)，CMS 產(chǎn)品剛出現(xiàn)在汽車(chē)零部件市場(chǎng)時(shí)，還沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)，產(chǎn)品性能難以保證。[1]隨著GB 15084–2022 的發(fā)布，CMS 產(chǎn)品性能必須滿足該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。CMS 產(chǎn)品的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是亮度對(duì)比度（CR），可用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品的圖像質(zhì)量性能，決定CMS 能否為駕駛員提供清晰可分辨的視野畫(huà)面。

評(píng)價(jià)CMS 的圖像性能需要以一定的光環(huán)境條件為前提。本文結(jié)合GB 15084–2022 與UN R46的技術(shù)要求，在不同的光環(huán)境條件下，對(duì)CMS 產(chǎn)品CR性能的影響進(jìn)行研究，同時(shí)分析它們對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)的技術(shù)差異，希望能為產(chǎn)品的合規(guī)性設(shè)計(jì)和相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

一、CMS 的CR 測(cè)試要求

GB 15084–2022 主要技術(shù)要求參照了2016 版UN R46 和后續(xù)的修改單。兩者的測(cè)試方法主要來(lái)源于《道路車(chē)輛 攝像監(jiān)控系統(tǒng)的人類(lèi)工效學(xué)和性能方面 要求和試驗(yàn)規(guī)程》（ISO 16505：2019），但是部分測(cè)試方法略有差異。

關(guān)于CR測(cè)試項(xiàng)，GB 15084–2022 與UN R46的測(cè)試方法一致，即在CMS 的攝像機(jī)一端，設(shè)置黑白棋盤(pán)格圖卡，并給圖卡表面進(jìn)行補(bǔ)光，同時(shí)給攝像機(jī)設(shè)置光環(huán)境；在CMS 的監(jiān)視器一端，給監(jiān)視器設(shè)置光環(huán)境。設(shè)置測(cè)試場(chǎng)景之后，測(cè)試人員利用成像式亮度計(jì)測(cè)試監(jiān)視器上顯示黑白色塊的亮度，計(jì)算CR。GB 15084–2022 與UN R46 參考了車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行情景，共設(shè)置了4 種典型的光環(huán)境，分別進(jìn)行驗(yàn)證，不同場(chǎng)景下的CMS 最小CR均需要滿足相關(guān)要求，具體場(chǎng)景設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 GB 15084–2022 與UN R46 關(guān)于CR 測(cè)試光環(huán)境的主要場(chǎng)景設(shè)置規(guī)定

由表1 可見(jiàn)，GB 15084–2022 和UN R46 針對(duì)CR的測(cè)試，其光環(huán)境條件大部分一致，除了在散射環(huán)境光線的日間條件中有明顯差異。本文選取某一型號(hào)的II 類(lèi)CMS 產(chǎn)品為測(cè)試樣品，依據(jù)GB 15084–2022 和UN R46 規(guī)定的光環(huán)境場(chǎng)景，分別進(jìn)行CMS 樣品CR性能試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)的技術(shù)差異進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

二、試驗(yàn)分析

1.直接日光照射條件

直接日光照射條件模擬在白天行駛的車(chē)輛，直射陽(yáng)光透過(guò)車(chē)輛擋風(fēng)玻璃照射在CMS監(jiān)視器上。本測(cè)試使用D65 高亮光源模擬太陽(yáng)光，照射在監(jiān)視器表面，監(jiān)視器中心照度約為（4.5×104）lx。在此條件下，測(cè)試人員使用亮度測(cè)試設(shè)備獲取監(jiān)視器表面的亮度分布，亮度圖見(jiàn)圖1（a）；同時(shí)，測(cè)試無(wú)模擬太陽(yáng)光直射條件下的屏幕亮度作為對(duì)比，亮度圖見(jiàn)圖1（b）。

圖1 直接日光照射條件測(cè)試結(jié)果

對(duì)比兩圖可發(fā)現(xiàn)，在模擬太陽(yáng)光照射監(jiān)視器情況下，相較于無(wú)太陽(yáng)光情況，監(jiān)視器顯示畫(huà)面中黑白亮度對(duì)比有明顯下降，并且目視已難以區(qū)分黑白色塊。實(shí)際測(cè)得，在直接日光照射條件下，CR為1.8:1，不滿足GB 15084–2022 和UN R46中≥2:1 的限值要求。對(duì)于CMS 產(chǎn)品，較低的圖像對(duì)比度會(huì)造成駕駛員識(shí)別圖像困難，影響行車(chē)安全。

2.散射環(huán)境光線的日間條件

在白天無(wú)陽(yáng)光直射下，CMS 產(chǎn)品監(jiān)視器上仍然會(huì)接收散射光，為均勻光照。本測(cè)試使用D65面光源，為監(jiān)視器提供均勻照明。

GB 15084–2022 與UN R46 散射環(huán)境光線的強(qiáng)度要求不一致，兩種條件下分別設(shè)置D65 面光源的發(fā)光強(qiáng)度為1 500 cd/m2與4 200 cd/m2。測(cè)試監(jiān)視器表面的亮度分布見(jiàn)圖2（a）與圖2（b）。

圖2 散射環(huán)境光線的日間條件測(cè)試結(jié)果

目視可見(jiàn)，較高亮度散射光條件下，監(jiān)視器黑白CR有所下降。在1 500 cd/m2與4 200 cd/m2散射光強(qiáng)條件下，監(jiān)視器CR分別為3.5:1 與3.3:1，均滿足GB 15084–2022 和UN R46 中≥3:1 的限值要求。

該場(chǎng)景的條件設(shè)置，UN R46 參考了《道路車(chē)輛 攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的人體工程學(xué)和性能方面 要求和測(cè)試程序》（ISO 16505：2016）中的技術(shù)參數(shù)要求，并進(jìn)一步提高了光照條件。對(duì)該項(xiàng)測(cè)試要求，GB 15084–2022 并沒(méi)有跟隨UN R46，考慮到國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展水平和實(shí)際工作場(chǎng)景，最終要求與ISO 16505：2016 保持一致。

3.日落條件

黃昏時(shí)，太陽(yáng)照射角度很小，有可能直接照射進(jìn)入攝像機(jī)，成為炫目光源，對(duì)CMS 產(chǎn)品攝像機(jī)的成像造成強(qiáng)烈的干擾。測(cè)試人員利用高亮炫目光源模擬落日，以固定角度將光射入攝像機(jī)，觀察監(jiān)視器成像情況。

監(jiān)視器上有明顯的光暈和炫光圖像，對(duì)于實(shí)際攝像機(jī)視野造成了遮擋。UN R46 要求在炫目光源直接影響的區(qū)域之外進(jìn)行測(cè)試CR，監(jiān)視器畫(huà)面見(jiàn)圖3，炫目光源周?chē)鷧^(qū)域的黑白對(duì)比有明顯下降，實(shí)測(cè)CR為2.8:1，滿足GB 15084–2022 和UN R46 ≥2:1 的限值要求。

4.夜間條件

該測(cè)試模擬夜間條件下的CMS 產(chǎn)品使用場(chǎng)景。該測(cè)試盡量避免引入干擾光源，僅圖卡設(shè)置微弱的A 光源照明條件，實(shí)測(cè)監(jiān)視器圖像見(jiàn)圖4。從測(cè)試結(jié)構(gòu)中可以看出，監(jiān)視器顯示圖像的明暗對(duì)比明顯。這是由于監(jiān)視器一端的環(huán)境光比較弱，圖像信號(hào)未被干擾。在夜間條件下，測(cè)得CR為10.9:1，滿足GB 15084–2022 和UN R46 中≥10:1的限值要求。

三、分析與結(jié)論

試驗(yàn)中的CR測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 GB 15084-2022 與UN R46 中CR 測(cè)試結(jié)果

以上測(cè)試結(jié)果表明，光環(huán)境條件會(huì)直接影響CMS 產(chǎn)品輸出圖像的CR。通過(guò)樣品在陽(yáng)光直接照射條件、散射環(huán)境光線的日間條件、日落條件和夜間條件4 種光環(huán)境場(chǎng)景中的測(cè)試結(jié)果，本測(cè)試可以分析得到的結(jié)論是：根據(jù)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)CR來(lái)看，在夜間條件下，CMS 樣品輸出圖像的CR最高。在夜間條件下，攝像頭光環(huán)境較弱，不利于成像。

因此，企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮該因素，通過(guò)技術(shù)改造對(duì)圖像做增強(qiáng)處理。考慮到夜間駕駛員可視范圍低，GB 15084–2022 和UN R46 在各場(chǎng)景中對(duì)于CMS 產(chǎn)品夜間的CR要求是最高的。

直接日光照射條件下，由于屏幕表面環(huán)境光亮度高，CR值下降非常嚴(yán)重。GB 15084–2022 和UN R46 對(duì)于該場(chǎng)景下的CR要求較低，但是由于測(cè)試條件比較嚴(yán)格，產(chǎn)品不滿足要求的風(fēng)險(xiǎn)仍然比較大。對(duì)于CMS 產(chǎn)品設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō)，提升太陽(yáng)光照射下CMS 的CR值，可采用提高監(jiān)視器顯示亮度、降低監(jiān)視器表面反射率等手段。

散射環(huán)境光線日間條件下，GB 15084–2022 和UN R46 的測(cè)試參數(shù)差異較大，特別體現(xiàn)在散射光環(huán)境的光強(qiáng)條件上，UN R46 對(duì)環(huán)境光強(qiáng)度要求更高。理論上，在相同屏幕亮度條件下，環(huán)境光增強(qiáng)，屏幕CR將會(huì)縮小。在這一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)中，UN R46比GB 15084–2022 要求更加嚴(yán)格。目前，從本測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在兩種測(cè)試條件下，結(jié)果數(shù)值差異并不明顯。受限于國(guó)內(nèi)CMS 產(chǎn)品行業(yè)剛起步，試驗(yàn)室獲取樣品的限制，本測(cè)試未能開(kāi)展更多的試驗(yàn)驗(yàn)證，未來(lái)需要更多樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證該問(wèn)題。

CR是CMS 產(chǎn)品的一項(xiàng)重要性能參數(shù)，GB 15084–2022 要求CMS 產(chǎn)品在不同光環(huán)境下都需要滿足最低限值要求。企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)該充分考慮到CMS 產(chǎn)品的不同應(yīng)用場(chǎng)景，確保CMS產(chǎn)品在不同場(chǎng)景下的性能，制定相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，有效保障道路安全。