車載攝像頭的工作原理、分類及仿真驗(yàn)證

01前言

目前，車載攝像頭傳感器是主流的自動駕駛系統(tǒng)傳感器之一，視覺感知的方案也是大多數(shù)汽車廠商的感知融合方案的重要組成部分。攝像頭技術(shù)成熟且價格適中，在未來很長一段時間都將會是自動駕駛系統(tǒng)傳感器的優(yōu)選方案。

02工作原理

車載攝像頭由鏡頭、CMOS/CCD圖像傳感器、圖像信號處理器以及串行器組成。它的工作原理是：物體表面反射的光線通過鏡頭入射到CMOS/CCD圖像傳感器，圖像傳感器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳遞給圖像信號處理器，圖像信號處理器對數(shù)字信號進(jìn)行圖像濾波和增強(qiáng)，并通過串行器對處理過的圖像信息進(jìn)行串行化后傳輸給域控制器。

圖1車載攝像頭工作原理示意圖

攝像頭重要參數(shù)包括：

焦距，是鏡頭光學(xué)中心到感光元件成像平面的距離，焦距與探測范圍成正比，焦距越大，一般其探測范圍就越遠(yuǎn)；

視場角，分為水平視場角和垂直視場角，描述攝像頭的視野角度；

分辨率，攝像頭畫面中X軸像素點(diǎn)數(shù)乘以Y軸的像素點(diǎn)數(shù)，分辨率越高，畫面越清晰；

信噪比，是信號電壓對噪聲電壓的比值，信噪比越高表明產(chǎn)生的雜波信號越少，圖像的信號質(zhì)量也就越好；

動態(tài)范圍，指拍攝的同一個畫面內(nèi)，能正常顯示細(xì)節(jié)的最亮和最暗物體的亮度值所包含的那個區(qū)間。動態(tài)范圍越大，過亮或過暗的物體在同一個畫面中都能正常顯示的程度也就越大。

03分類及其應(yīng)用

車載攝像頭根據(jù)安裝位置分為五類：前視、后視、側(cè)視、環(huán)視以及內(nèi)置攝像頭。

圖2車載攝像頭布置圖

前視攝像頭，前視攝像頭一般安裝在前擋風(fēng)玻璃的上方，用于目標(biāo)識別和測距測速，根據(jù)功能，又可以分為前視主攝像頭、前視廣角攝像頭以及前視長焦攝像頭。

前視主攝像頭，視場角60-80°左右，探測距離150m左右，用于監(jiān)測車輛前方的寬闊視野，基本上能夠覆蓋大部分交通場景。

前視廣角攝像頭，視場角120° - 150°左右，探測距離在50 m左右的魚眼攝像頭，能夠拍攝到交通信號燈、行駛路線上的障礙物和距離較近的物體，非常適用于城市街道、低速緩行的交通場景。

前視長焦攝像頭，視場角30°左右，探測距離可達(dá)250 m以上，視野相對較窄，適用于高速行駛的交通場景。

后視攝像頭，視場角120-140°左右，探測距離50 m左右。一般安裝在后備箱上，主要功能是實(shí)現(xiàn)泊車輔助。

側(cè)視攝像頭，視場角一般為 90°-100°，探測距離80 m 左右，安裝在車輛兩側(cè)的中間位置，主要作用是檢測側(cè)向車輛及自行車。

環(huán)視攝像頭，安裝在車身四周，一般使用4-8個魚眼攝像頭，可分為前向魚眼攝像頭/左側(cè)魚眼攝像頭/右側(cè)魚眼攝像頭/后向魚眼攝像頭。用于全景環(huán)視功能的顯示，以及融合泊車功能的視覺感知及目標(biāo)檢測。

內(nèi)置攝像頭，一般安裝在中控臺，正對著駕駛員的面部，用于監(jiān)控駕駛員的駕駛狀態(tài)，進(jìn)行疲勞提醒等。

（1）攝像頭的優(yōu)點(diǎn)包括：

種類齊全，技術(shù)成熟，攝像頭在日常生活中用處廣泛，衍生出了不同焦距和視場角的產(chǎn)品，覆蓋了車載的需求；

成本適中，相比于昂貴的激光雷達(dá)，攝像頭的價格是更加低廉的；

性能強(qiáng)大，攝像頭能夠探測到物體的顏色、紋理、輪廓、亮度信息，對于識別紅綠燈、交通標(biāo)志這種帶有顏色特征的目標(biāo)具有獨(dú)到的優(yōu)勢。

（2）攝像頭的局限性體現(xiàn)在：

攝像頭傳感器易受光線影響，在黑夜、雪天、雨天等能見度下降的條件下，攝像頭的性能會下降；

攝像頭傳感器的測試測距能力略差于雷達(dá)，雷達(dá)可根據(jù)多普勒效應(yīng)直接計(jì)算目標(biāo)的距離和速度，攝像頭則依賴算法估計(jì)，準(zhǔn)確性不如雷達(dá)。

04仿真驗(yàn)證

攝像頭的仿真驗(yàn)證是自動駕駛系統(tǒng)仿真的一部分，主要有兩種形式：一種是暗箱仿真，另外一種是視頻注入。

暗箱仿真，預(yù)先準(zhǔn)備一個暗箱，內(nèi)置高清顯示器、增距透鏡以及攝像頭支架，將待仿真的攝像頭放在支架上，通過調(diào)整支架使顯示器、透鏡、攝像頭的中心點(diǎn)在同一條水平線上。顯示器播放仿真的場景畫面，使用增距透鏡對畫面進(jìn)行放大，確保放大后的畫面能夠布滿攝像頭感光元件的表面。攝像頭通過增距透鏡實(shí)時拍攝放大后的畫面，并將圖像信息處理后回傳，就完成了攝像頭的仿真。

圖3視頻暗箱工作原理示意圖

視頻注入，將仿真場景視頻流直接通過HDMI協(xié)議傳送到視頻注入單元，該視頻注入單元能將HDMI視頻轉(zhuǎn)碼為符合GMSL協(xié)議的串行數(shù)據(jù)流，然后將串行的數(shù)據(jù)流注入到域控制器中。

圖4視頻注入仿真原理示意圖

由上可以總結(jié)得出，不管哪種仿真方式，都離不開仿真場景，且場景中至少應(yīng)該包含攝像頭模型、車輛模型、目標(biāo)模型。其中攝像頭模型提供仿真畫面的視角，也就是說傳輸給暗箱或者視頻注入模塊的畫面是通過攝像頭視角“看”到的；車輛模型是用來安放待測的攝像頭的，攝像頭的位置決定了它的功能；目標(biāo)模型即為攝像頭拍攝的目標(biāo)，可以是其他車輛、行人、標(biāo)志標(biāo)線、路牌等等。

西門子的場景仿真軟件Prescan的一大特點(diǎn)就是具備豐富的傳感器模型，其中就包括2款攝像頭傳感器——普通單目攝像頭和魚眼攝像頭。

圖5攝像頭模型安裝位置設(shè)置

以普通單目攝像頭模型為例，在Prescan中，可以設(shè)置攝像頭的安裝位置，包括XYZ位置和沿XYZ方向轉(zhuǎn)動的情況，且可以直觀地在預(yù)覽界面中觀察。

圖6攝像頭傳感器參數(shù)設(shè)置

還可以設(shè)置攝像頭模型的分辨率、幀率、顏色模式、焦距、鏡頭尺寸、渲染范圍。除此之外，Prescan的攝像頭傳感器還可以添加各種效果，比如模糊、HDR、等立體角、正交投影、平射投影、雨滴效果、臟污效果等。

有了攝像頭模型，攝像頭仿真驗(yàn)證的問題也就迎刃而解了：

根據(jù)實(shí)際的攝像頭參數(shù)來配置攝像頭模型的參數(shù)；

搭建場景，并輸出攝像頭視角的畫面；

使用暗箱或者視頻注入的方式將畫面信息傳遞給域控制器；

域控制器根據(jù)獲得的畫面信息，確定是否激活相應(yīng)的自動駕駛功能。

05結(jié)語

車載的攝像頭傳感器的探測范圍和視場角都十分靈活，既可以遠(yuǎn)程探測，也可以輔助泊車；既可以定點(diǎn)識別，也可以全景影像化；既可以描述輪廓，又能夠辨別色彩。用一種傳感器覆蓋了好幾種其他傳感器的功能，這也是某些主機(jī)廠敢于使用純視覺感知方案的原因。攝像頭有自己弱勢的地方，但總的來說在自動駕駛領(lǐng)域是不可或缺的。

作為自動駕駛仿真測試的一部分，攝像頭仿真的核心是攝像頭傳感器模型，優(yōu)質(zhì)的傳感器模型能夠通過一系列參數(shù)設(shè)置，最大程度地還原攝像頭視角下的畫面，讓仿真測試的結(jié)果更有說服力。

審核編輯：湯梓紅