自动驾驶之“眼”——车载摄像头技术的现在与未来(上)

◆文/香港特别行政区 程增木

车辆自动驾驶包括感知、判断和执行，而感知是整个过程的源头，是自动驾驶系统的重要模块。在车辆行车过程中，感知系统会通过传感器实时采集周边环境的信息，相当于自动驾驶汽车的“眼睛”，可以帮助汽车实现类似于人类驾驶员一样效果的观察能力。

在自动驾驶车辆中，感知系统主要由摄像头、毫米波雷达、激光雷达(可选)等传感器构成。 摄像头作为主要的环境感知传感器起着非常重要的作用，可以实现360°全面视觉感知，弥补雷达在物体识别上的缺陷，是最接近人类视觉的传感器。因此车载摄像头是自动驾驶领域的关键设备之一。

一、车载摄像头的原理及典型应用

车载摄像头主要的硬件结构包括光学镜头(其中包含光学镜片、滤光片、保护膜等)、图像传感器、图像信号处理器ISP、串行器、连接器等器件。其结构示意图如图1所示。

图1 车载摄像头的结构构成

光学镜头：负责聚焦光线，将视野中的物体投射到成像介质表面，根据成像效果的要求不同，可能要求多层光学镜片。滤光片可以将人眼看不到的光波段进行滤除，只留下人眼视野范围内的实际景物的可见光波段。

图像传感器：图像传感器可以利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。主要分为CCD和CMOS两种。

ISP图像信号处理器：主要使用硬件结构完成图像传感器输入的图像视频源RAW格式数据的前处理，可转换为YCbCr等格式。还可以完成图像缩放、自动曝光、自动白平衡、自动聚焦等多种工作。

串行器：将处理后的图像数据进行传输，可用于传输RGB、YUV等多种图像数据种类。

连接器：用于连接固定摄像头。

车载摄像头在制造工艺及可靠性要求方面也要高于工业摄像头和商用摄像头，由于汽车需长期工作在恶劣环境中，车载摄像头需要在高低温环境、强振动、高湿热等复杂工况环境下稳定工作，对于工艺制造方面的要求主要如表1所示。

表1 车载摄像头的工艺需求

目前车上搭载的车载摄像头根据安装位置主要分为为前视摄像头、环视摄像头、后视摄像头、侧视摄像头以及内置摄像头五种类别。

前视摄像头：主要安装在前挡风玻璃上，用于实现行车的视觉感知及识别功能，根据功能又可以分为前视主摄像头、前视窄角摄像头和前视广角摄像头(图2)。

图2 特斯拉前视摄像头模组

前视主摄像头：该摄像头在L2的ADAS系统中作为主摄像头使用。其视场角一般为30°、50°、60°、100°、120°，检测距离一般为150～170m，摄像头输出的格式为RCCB或RCCC。

前视广角摄像头：该摄像头的作用主要是识别距离较近的物体，主要用于城市道路工况、低速行驶等场景，其视场角在120°～150°，检测距离在50m左右。在后续8MP镜头大规模装车后，无需该摄像头。

前视窄角摄像头：该摄像头的主要作用是进行红绿灯、行人等目标的识别，一般选用窄角镜头，可选择30°～40°左右的镜头。并且该镜头的像素一般和前视主摄像头的镜头像素一致，该摄像头采用窄角度，具有更高的像素密度和更远的检测距离，一般可达250m甚至可探测更远的距离。

在上了8MP摄像头后，前视主摄像头的FOV可达120°，该摄像头可能就不需要了。检测距离在60m左右。

环视摄像头：主要安装在车身四周，一般使用4～8个摄像头，可分为前向鱼眼摄像头/左侧鱼眼摄像头/右侧鱼眼摄像头/后向鱼眼摄像头。用于全景环视功能的显示，以及融合泊车功能的视觉感知及目标检测；常用色彩矩阵为RGGB，因为有色彩还原的需求。

后视摄像头：一般安装在后备箱上，主要是实现泊车辅助。视场角在120～140°之间，探测距离大概50m。

侧前视摄像头：安装在B柱或者车辆后视镜处，该摄像头的视场角一般为90°～100°，探测距离大概在80m左右，这个摄像头的主要作用是检测侧向车辆及自行车。

侧后视摄像头：一般安装在车辆前翼子板处，该摄像头的视场角一般为90°左右，探测距离也在80m左右，主要用于车辆变道、汇入其他道路等场景应用。

内置摄像头：主要用于监测司机状态，实现疲劳提醒等功能。

其中，前视摄像头价格相对较高，目前市场价格处在300～500元水平；其余摄像头价格在150～200元左右。

二、目前典型的车载摄像头搭载方案优劣比较

1.特斯拉——纯视觉感知的深度拥护者

特斯拉的Autopilot系统搭载了8个摄像头，其中前方摄像头模组共由3个摄像头组成(图3)，这3个摄像头都是基于2015年安森美半导体公司发布的120万像素图像传感器开发的，其配备了3个AR0136A上的CMOS图像传感器，像素大小为3.75μm，分辨率为1280×960(1.2MP)。主视野摄像头：视野能覆盖大部分交通场景。鱼眼镜头：视野达120°的鱼眼镜头能够拍摄到交通信号灯、行驶路线上的障碍物和距离较近的物体，非常适用于城市街道、低速缓行的交通场景。长焦距镜头：视野相对较窄，适用于高速行驶的交通场景，并可以清晰拍摄远达250m的物体。

图3 特斯拉前置摄像头模组

前方侧视摄像头：视场角为90°，前方侧视摄像头分别位于特斯拉两侧的B柱上(图4)，最大探测距离为80m。其能够探测到高速公路上突然并入当前车道的车辆，以及在进入视野受限的交叉路口时进行探测。

图4 特斯拉前方侧视摄像头

侧方后视摄像头：最大探测距离为100m，能监测车辆两侧的后方盲区，在变道和汇入高速公路时起着重要作用(图5)。

图5 特斯拉侧方后视摄像头

后视摄像头：探测距离为50m，主要进行泊车辅助(图6)。

图6 特斯拉后视摄像头

2.小鹏P7——搭载多摄像头的车型代表

小鹏P7搭载了14个摄像头，我们选择其中最重要的几个摄像头讲解。其中前方摄像头模组共由3个摄像头组成，这3个摄像头都是200万像素，帧率为15/60f/s(图7)。其中分为远距感知摄像头：视场角为28°，是窄视角的前向摄像头，可探测150m以上的路面情况。中距感知摄像头：视场角为52°，是主要的前向摄像头，可探测30～70m的范围。远距离感知摄像头：视场角为100°，可探测40m的范围。

图7 小鹏P7前摄像头模组

小鹏P7的侧前视摄像头安装在后视镜处(图8)，视场角为100°，100万像素，分辨率是457X237，帧率为30f/s，用于防加塞和侧向车辆的检测。

图8 小鹏P7侧视摄像头

小鹏P7的后视侧边摄像头安装在翼子板上(图9)，参数与侧视摄像头差不多，用于ALC(自动变道)、开门预警和盲区检测。

图9 小鹏P7后视侧边摄像头

小鹏P7的后视摄像头安装在后备箱处(图10)，视场角为52°，200万像素，帧率为30f/s，用于ALC、盲区检测和追尾预警。

图10 小鹏P7后摄像头

3.奔驰S级——传统主机厂方案的代表

奔驰S级搭载了7个摄像头，其中前方摄像头模组共由2个双目立体摄像头组成，这2个摄像头的像素均为1.3MP，其镜头光轴之间的距离大概在22～25cm左右，探测的有效距离大约为120m，摄像头的视场角大约在50°左右，刷新频率在10Hz左右。供应商为大陆汽车电子。该双目摄像头可完成3D立体识别功能，可以完成目标跟踪、位置预测并且配合毫米波雷达实现目标速度的检测(图11)。

图11 奔驰S级前双目摄像头模组

奔驰S级在保险杠处安装了一个摄像头，该摄像头是前向鱼眼摄像头，视场角约为120°，配合其他视像头实现360°环视功能(图12)。

图12 奔驰S级前鱼眼摄像头

奔驰S级在两个后视镜处各安装了一个摄像头，该摄像头是侧向鱼眼摄像头，视场角约为120°，配合其他视像头实现360°环视功能(图13)。

图13 奔驰S级侧视鱼眼摄像头

奔驰S级的的后视摄像头安装在后备箱处，视场角约为120°，200万像素，配合其他视像头实现360°环视功能(图14)。

图14 奔驰S级后视鱼眼摄像头

不同车企摄像头安装方案对比如表2所示。从方案中我们可以看到，特斯拉的8个摄像头均与行车系统有关联，这与其一直宣传的不依靠激光雷达纯视觉的自动驾驶方案是有较大关联的，特斯拉的这一套方案的最大优势就是：高性价比。特斯拉用了成本非常低的自研1.2MP摄像机就实现了L2+级别的自动驾驶。小鹏P7使用了多个摄像头，这一套方案的最大优势就是：可拓展性较强。前期方案在设计时需要提高硬件成本，但是在后期OTA升级后，其自动驾驶功能具有非常好的兼容性和可拓展性。通过这套传感器模型，小鹏实现了具有较好体验的L2+级别的自动驾驶功能，包括小鹏极具特色的高速自主导航驾驶(NGP)和停车场记忆泊车功能。奔驰S级是传统主机厂方案的代表，双目立体摄像头方案是奔驰S级最大的优势。相比于单目摄像头，双目摄像头可以计算当前检测目标在XYZ坐标下的运动情况，判断检测目标的姿态及目标类型，奔驰在L2级别的ADAS功能的体验效果也比另外两家好一些。

表2 方案对比

对上文中已经量产车型的摄像头方案分析，我们发现其都是使用中低像素摄像头来实现自动驾驶功能，随着技术的发展与更新，未来更多量产车型及自动驾驶解决方案会使用800万像素摄像头。（未完待续）