2.3 視覺傳感器在智能網聯汽車中的實際應用

隨著電子化、信息化與人工智能技術的發展，小型化和嵌入式的視覺傳感器得到了廣泛應用，人們可以從車載攝像頭中獲得更智能的結果，即通過攝像頭的視場，感知駕駛環境。前面提到智能駕駛汽車使用的攝像頭主要有單目攝像頭、雙目攝像頭和紅外攝像頭，以及各種攝像頭的組合形式。在已經大規模市場化的車輛中，如圖2-13所示的特斯拉智能駕駛汽車擁有3個前視攝像頭，1個后視攝像頭，2個側視攝像頭、12個超聲波雷達和一個安裝在車身上的前毫米波雷達。

智能駕駛汽車的視覺傳感器可實現車道偏離警告、前方碰撞預警、行人碰撞預警、交通標志識別、盲點監控、駕駛人注意力監控、全景環視、泊車輔助和車道保持輔助等功能。

（1）車道偏離警告系統 車道偏離警告系統是一種通過及時警告來輔助駕駛人，以減少因為車道偏離引起交通事故的系統，主要通過攝像頭作為環境感知傳感器。

當車道偏離系統打開時，攝像頭將持續檢測環境，在各種氣候、光照條件下并通過圖像處理識別車道線（圖2-14），感知道路幾何形狀并獲得當前車道中的車輛位置參數，結合車輛狀態傳感器獲得車速、轉向燈狀態、轉向盤轉角等車輛動態參數，通過車道偏離評估算法評估車道偏離的可能性（根據轉向盤的方向、車輛的速度、車輛與車道的角度來估算偏離時間），必要時通過聲音、儀表顯示、轉向盤/座椅振動等人機交互方式提醒駕駛人。如果駕駛人打開轉向燈并正常改變車道，車道偏離警告系統將不會給出任何提示。當車輛異常偏離車道時，傳感器將及時收集車輛數據和駕駛人的操作狀態，然后由控制器發出警報信號，為駕駛人提供更多的反應時間。

（2）車道保持輔助系統 車道保持輔助系統基于車道偏離警告系統，在駕駛人未能及時響應預警，或者駕駛人將轉向任務完全交給自動駕駛系統控制時，控制轉向等底盤執行機構，使車輛保持在車道內安全行駛。

（3）汽車防碰撞系統 汽車防碰撞系統主要用于協助駕駛人避免追尾、與行人/非機動車等交通參與者碰撞、與道路上其他障礙物碰撞等交通事故。汽車防碰撞系統基于攝像頭/雷達或多種傳感器組合方式，檢測前方障礙物并評估碰撞風險，根據風險等級進行各級預警，直至主動制動等方式提醒駕駛人或者主動控制車輛，避免碰撞事故發生。

如圖2-15所示，防碰撞系統使用雷達和攝像頭探測汽車前方的行人。如果汽車接近行人，風窗玻璃上首先會亮起紅色警告燈，同時鳴響警報聲提醒駕駛人。

如果碰撞危險進一步增加，輔助緊急制動系統開始起作用，減小制動襯塊和制動盤之間的距離以縮短制動時間，同時還會增加制動液壓，即使駕駛人沒有用力踩制動踏板也能進行最有效的制動。如果車輛仍未制動，而系統認為即將發生碰撞，汽車會進行自動制動，最大限度地降低車速，進而避免事故或減少事故帶來的傷害。

（4）交通標志識別系統 如圖2-16所示，車輛安全系統的交通標志識別系統利用前置攝像頭組合模式通過特征識別算法，識別道路上的交通標志，發出預警信號或自動調整車輛運行狀態，從而提高車輛的安全性和合規性，此功能可以輔助駕駛人及時發現交通標志。

交通標志可分為警告標志、禁止標志、指示標志等，如圖2-17、圖2-18、圖2-19所示。根據交通標志顏色和形狀的預先設計，可以提前對不同的交通標志進行分類，并將顏色形狀分類的結果作為交通標志檢測和識別的先驗知識。可采用的視覺分類識別方法主要包括：基于不同距離的模板匹配識別方法、大量數據樣本的機器學習識別方法、粒子群優化和遺傳算法等智能算法的識別方法等。

交通標志識別系統包括檢測和識別兩部分，由于各國、各地區的交通標志設計標準和規范有很大區別，還需要根據不同區域的交通標志對識別算法進行調整。交通標志通常處于復雜的環境條件下，識別過程易受環境照明和轉向的影響。

交通標志識別功能可以幫助駕駛人及時發現并識別各類交通標志，避免了因沒有及時發現交通指示而違法交通規則等情況，提高了車輛行駛的安全，是智能交通系統和先進輔助駕駛系統的重要組成部分。

（5）換道輔助系統 換道輔助系統主要功能是掃除后視鏡盲區，主要通過側方攝像頭、后視攝像頭或雷達檢測盲區內影響車輛換道的交通參與者，并通過儀表、后視鏡指示燈等方式提示駕駛人，避免因為駕駛人視覺盲區導致的換道/轉向過程中發生事故的風險。

由于車輛后視鏡中有一個視覺盲區，因此在換道或轉向過程中，可能無法及時估計或者看到盲區中的車輛，如果盲區內有車輛，則會發生車道碰撞；另外，在大雨、霧天、夜間光線暗淡的情況下，更難看到后面的車輛，換道或者轉向發生交通事故的風險也會增加。

換道輔助系統可以解決后視鏡盲點問題，如圖2-20所示，攝像頭或者雷達用于探測車輛兩側后視鏡盲點內的超車車輛，提醒駕駛人在變道過程中避免后視鏡盲點，避免事故的發生。

當在盲區檢測到對換道或轉向有影響的車輛時，安裝在后視鏡的指示燈閃爍。如果駕駛人沒有注意到指示燈的閃爍并準備換車道，在發生碰撞的危險前，系統會及時發出聲音警報，再次提醒駕駛人換車道很危險，不應換車道。未來隨著感知手段的豐富，感知能力的不斷提升，系統會在危險即將發生時主動控制車輛，進一步防止因為駕駛人誤操作導致的事故。在換道輔助系統的輔助下，駕駛過程中不間斷的檢測和提醒，可以有效防止因惡劣天氣、駕駛人疏忽、后視鏡盲點、新手上路等駕駛過程中的潛在危險造成交通事故。

（6）駕駛人監控系統 駕駛人監控系統包括疲勞監控、駕駛行為監控、注意力監控等。它不斷檢測駕駛人的駕駛狀態，使駕駛人保持安全駕駛所需的注意力，以及在自動駕駛和人工駕駛切換過程中，保證駕駛人有足夠時間接管車輛。

駕駛人監控可以分為兩種類型：一種是間接式監控，即通過駕駛人對車輛的操縱，判斷駕駛人是否處于正常駕駛狀態；另一種是直接式監控，即通過攝像頭對駕駛人的視線、面部狀態等進行跟蹤，判斷駕駛人狀態是否滿足安全駕駛需求。

（7）泊車輔助系統 如圖2-21所示，泊車輔助系統是用于泊車或倒車的安全輔助裝置。

自動泊車輔助系統實現過程包括車位檢測、泊車路徑規劃、自動泊車控制等。其中車位檢測可以通過超聲波雷達或者視覺檢測車位線/泊車空間實現，而泊車路徑規劃則由自動泊車輔助系統完成。自動泊車控制過程中，自動泊車輔助系統根據車輛與車位的相對位置，對驅動、制動、轉向甚至換檔和駐車制動系統進行控制。

在自動泊車輔助系統應用的初級階段，有時系統只能實現側向車位/垂直車位的檢測與路徑規劃，控制過程中有時需要駕駛人在車上輔助換檔或者保持車速在5～10km/h以下。由于技術的限制，有些自動泊車輔助系統雖然允許駕駛人在車外，但是需要隨時監控車輛周圍環境，通過例如一直按住手機APP上的按鈕方式實現自動泊車，一旦松手，系統就會終止并停車。

隨著智能網聯汽車感知手段的不斷發展，自動泊車輔助系統的智能化水平會不斷提升，駕乘人員可以在離停車場更遠的地方離開車輛，由車輛自主完成泊車，且車輛能夠響應人的召喚從停車場駛出，自主泊車可以適應的泊車位（甚至無明確泊車標志的泊車空間）的種類會越來越復雜，這樣自動泊車輔助系統就能夠提供更舒適的駕乘體驗。

（8）紅外夜視系統 紅外夜視系統采用紅外夜視技術實現對夜間行車過程中環境的感知。夜間行車對駕駛人來說是最危險的，因為駕駛人在夜間的能見度很差，而且燈光的范圍和亮度有限。在紅外夜視系統的輔助下，駕駛人可以不受光照影響了解道路的行駛條件，尤其在檢測行人等有明顯紅外輻射的物體中，紅外夜視系統具有明顯的優勢，如圖2-22所示。

（9）全景環視系統 如圖2-23所示，全景環視系統包括多個安裝在汽車周圍的攝像頭、圖像采集組件、視頻合成/處理組件、數字圖像處理組件和車輛顯示器。

這些裝置可以同時采集車輛周圍的圖像，對圖像處理單元進行變形恢復→視圖轉換→圖像拼接→圖像增強，最終形成車輛360°全景視圖。

通過更復雜的空間圖像拼接算法，可以消除傳統俯視圖拼接帶來的近距離畸變，提供一種立體環視的效果，能夠更好地輔助駕駛人理解車輛周圍環境。

（10）電子后視鏡如圖2-24所示，電子后視鏡通過攝像頭成像，并將后視圖像投影到車內的顯示屏上，取代傳統的鏡片式后視鏡。這種技術能夠有效地降低風阻，提供更加全面靈活的視野，減小后視盲區。

電子后視鏡對攝像頭的各方面要求更高，在高像素、無畸變、寬動態、低照度、高可靠性方面都有著極高的要求。另外，因為技術問題，目前電子后視鏡在大部分國家還不能在汽車市場上使用。

但是，由于電子后視鏡的諸多優點，一些國家已經開始為電子后視鏡的應用放開了相關法規。日本為鼓勵汽車產業發展，在2016年通過了一項新法規，允許無后視鏡汽車上路。而且據稱在2023年前，日本29%的汽車將使用攝像頭代替后視鏡，且12%的汽車將不再有側鏡。特斯拉、通用、大眾等車廠也向美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）申請用攝像頭代替后視鏡，奧迪也在與各國相關專家接洽，爭取使電子后視鏡早日合法化，并能夠普及開來。

（11）智能照明系統 一方面，照明系統是保證車輛能夠在環境光線不足情況下，補充燈光滿足環境感知需求的重要系統；另一方面，照明系統也可以通過燈光變化與環境中其他交通參與者交互，是汽車安全性的重要保證。

為了適應汽車自動駕駛和數字化的趨勢，具備智能視覺傳感器的燈光系統正逐步用于汽車照明系統，如圖2-25所示。智能照明系統可以調整燈光滿足駕駛人與前視攝像頭的照明需求，同時攝像頭可以感知環境，進一步控制前照燈的光形、光強等變化。未來智能照明系統不僅能夠主動輔助駕駛人更好地看見環境，還能通過智能化技術輔助駕駛人或者自動駕駛系統更好地理解環境。