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本期专家:

丰浩

博世底盘控制系统中国区市场与战略发展总监。北京外国语大学日耳曼语言文学与德国沃尔姆斯大学企业管理双学位。2012年加入博世,先后担任主动安全产品经理、市场传播经理、驾驶辅助高级产品经理等职位。

上一篇专栏文章里,相信大家已经对驾驶员辅助系统,以及依靠小小雷达可以实现的驾驶辅助功能有了初步的了解。

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今天,我们不妨再来看看,通往未来自动驾驶的道路上,谁为车辆提供了一双慧眼?

视频摄像头及通过摄像头实现的功能

视频摄像头,简称“摄像头”,顾名思义,是指通过图像传感器将图像进行处理,以此实现物体的探测,继而实现不同的驾驶辅助功能。

这个摄像头与我们手机或是单反相机的摄像头结构类似,都是通过前方的光学组件,即由光学玻璃镜片组成的镜头,将进入镜头的光反映在CMOS (互补金属氧化物)成像传感器上,产生一帧一帧的数字图像,再通过内置在摄像头中图像信息处理单元(ISP)对图像进行分析,从而实现对画面中的车辆及其灯光、行人、车道线等目标的探测。

按照光学组件的个数,车用前置摄像头又分为单目摄像头、双目摄像头以及应用在Tesla等车型上的三目摄像头。

单目摄像头只有一个光学镜头,著名的Mobileye公司的算法,便是主要以单目摄像头为基础来实现对于物体的探测。

之前我们提到过,雷达通过回波反射的方式来探测物体,这种直接的方式,对于物体的纵向运动信息(如距离等)的探测是非常准确的。如果将单目摄像头比作我们的一只眼睛,它所收集的只是二维画面,缺少距离。那么它是如何还原物体的距离以及运动速度的呢?

算法很关键。以博世下一代单目摄像头为例,其所具备的一个核心算法是:通过对比前后两帧画面在同一个像素点上接收光量的强度变化,将这个信息还原成深度信息。而借助名为“Structure from Motion (SfM)”的算法,就能推算出前方探测的物体与本车的距离和相对速度,达到和雷达同样的效果。

随着算法的不断优化,在一定范围内单目摄像头的准确度堪比雷达。但由于是推算,其在复杂天气条件下的准确性不能做到完全可靠。而这也成为单目摄像头的某种“先天不足”。

通过增加另一个光学镜头,将两个镜头中间隔以一定距离,就成了双目摄像头

双目摄像头的工作原理和人眼的原理一样,通过对比同一时刻两个镜头所拍摄的同一画面,对比同一像素在不同画面上的距离差(两个镜头间因视距产生的反应在像素级的微小差别),来判断距离,即3D视差。这也是一种直接式的测量,和单目摄像头测距原理不同,基于双目摄像头算法产生的目标的可靠性比单目要高。

举个例子,比如起步时,如果本车不动,前车也不动,由于SfM算法的特性需要画面中出现移动,那么此时前车和本车的距离单目摄像头是无从知晓的,而双目摄像头却可以轻松解决这个问题。

利用双目摄像头,在无需雷达的情况下,即可实现除ACC以外绝大多数的驾驶辅助功能。而它的另外一个用处,是通过3D视差进一步计算出车辆前方行进的可通行空间,我们把这个可通行空间称为“自由空间(free space)”。自由空间是应用在自动驾驶算法中必不可少的一项信息。

当然,功能的强大同时也带来成本的增加。目前,双目摄像头多用于一些高端车上。

而在Tesla的车型上应用的三目摄像头,则是将三个不同探测距离、不同视野、不同功能的单目摄像头组合在一起,其中有一个视野窄但探测距离远的长焦摄像头,有一个视野广但探测距离适中的标准焦距摄像头,还有一个作近端探测的开角180°以上的鱼眼摄像头。这里我们不作赘述。

对于前视摄像头,无论是单目、双目还是三目,其主要目的是对前方交通中的物体进行检测,依据检测的目标类型不同,其所支持的功能分为以下几类:

- 基于对车辆、行人以及骑自行车人等的检测,可实现如前碰撞预警FCW,自动紧急制动AEB等安全功能。没错!通过不同类型的传感器是可以实现同一种功能的,例如市面上已量产的AEB功能中,既有通过雷达实现的, 也有通过摄像头实现的。

- 基于对车道线的检测,可以实现如警告驾驶员无意偏离车道行为的车道偏离警告LDW功能,以及配合电动助力转向EPS系统对偏离车道行为进行干预的车道纠偏系统RDP,再有就是通过对两侧车道线的探测,将车辆持续保持在车道中央一定区域内的舒适性功能车道保持居中功能LKA。

今年,欧洲新车评价规程Euro NCAP将紧急车道保持功能作为强制开启项进行评测,即在车道保持系统关闭的情况下,如果判断到驾驶员有偏向道路边缘的情况,系统也会紧急开启进行干预,帮助车辆回到车道内。

- 基于对交通标识的检测,可以提供如限速标识、禁止超车标识等信息给驾驶员的交通标识识别TSR功能,配合巡航系统或限速系统,还可提供智能巡航功能iACC等。

- 基于对对向来车灯光的检测,可提供对本车灯光的控制,如最简单的远近光灯自动切换HMA功能,可以防止本车在开启远光灯时造成对车驾驶员炫目;如果配合可调节局部光束的矩阵式大灯,还可将前方部分区域的远光灯调低。这个叫自适应大灯ADB的功能在中国非常有用,既可保持本车前方的视野,又可防止对车驾驶员炫目。

以上我们讲的功能,都是基于前视摄像头来实现的,在摄像头领域还有一种环视摄像头,其光学镜片可提供130° 至180°以上的视野,像素从30万至100万不等,可提供10米左右的近距离影像,因为其物理光学模组提供的影像非常像鱼的眼睛看到的图像,所以又叫鱼眼摄像头(fish-eye camera)。

这类摄像头一般用于泊车辅助相关功能,可以提供后视影像,即俗称的倒车影像摄像头。这类摄像头能够提升泊车过程中驾驶员对车辆周边的可视范围,防止与行人或障碍物发生碰撞,大大提高安全性。2014年,美国通过立法的形式,已将倒车避让(Back-over avoidance)强制标配,即对后视野有强制性要求 ,当然,这也和美国SUV与皮卡居多的国情有关。

通过4个环视摄像头的融合,可以支持更为高级的360°环视系统以及高级泊车辅助和自动泊车功能。博世于2016年在全新宝马7系上提供的全3D 360°环视系统正是通过这一多摄像头融合的方式实现的。

这套系统除了将传统的平面图像立起来,实现3D环视的视觉效果之外,还通过本身在硬件层面的图形处理加速,实现了更好的过渡效果和体验(类似于GPU图形加速)。

同时,针对图像拼接时最难处理的畸变与失真,也通过硬件及软件的处理实现了相较其他同类产品更好的效果。

应用于驾驶员辅助系统中的传感器(如雷达和摄像头等)各有各的优势,当然也有各自的局限性。比如,雷达对于物体的形状不敏感,摄像头在低光照和恶劣天气工况下探测性能会降低……这就需要我们将不同类型的传感器组合应用,取长补短。

通过将不同类型的传感器及其数据进行融合,可以实现更为复杂的驾驶辅助功能乃至自动驾驶。下一期我们再和大家聊聊博世是如何将这些不同类型的传感器进行组合、优化,以此发挥他们的功效的吧。

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