自動駕駛之“眼”
——車載攝像頭技術的現在與未來(上)

◆文/香港特別行政區 程增木

車輛自動駕駛包括感知、判斷和執行，而感知是整個過程的源頭，是自動駕駛系統的重要模塊。在車輛行車過程中，感知系統會通過傳感器實時采集周邊環境的信息，相當于自動駕駛汽車的“眼睛”，可以幫助汽車實現類似于人類駕駛員一樣效果的觀察能力。

在自動駕駛車輛中，感知系統主要由攝像頭、毫米波雷達、激光雷達(可選)等傳感器構成。 攝像頭作為主要的環境感知傳感器起著非常重要的作用，可以實現360°全面視覺感知，彌補雷達在物體識別上的缺陷，是最接近人類視覺的傳感器。因此車載攝像頭是自動駕駛領域的關鍵設備之一。

一、車載攝像頭的原理及典型應用

車載攝像頭主要的硬件結構包括光學鏡頭(其中包含光學鏡片、濾光片、保護膜等)、圖像傳感器、圖像信號處理器ISP、串行器、連接器等器件。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 車載攝像頭的結構構成

光學鏡頭：負責聚焦光線，將視野中的物體投射到成像介質表面，根據成像效果的要求不同，可能要求多層光學鏡片。濾光片可以將人眼看不到的光波段進行濾除，只留下人眼視野范圍內的實際景物的可見光波段。

圖像傳感器：圖像傳感器可以利用光電器件的光電轉換功能將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號。主要分為CCD和CMOS兩種。

ISP圖像信號處理器：主要使用硬件結構完成圖像傳感器輸入的圖像視頻源RAW格式數據的前處理，可轉換為YCbCr等格式。還可以完成圖像縮放、自動曝光、自動白平衡、自動聚焦等多種工作。

串行器：將處理后的圖像數據進行傳輸，可用于傳輸RGB、YUV等多種圖像數據種類。

連接器：用于連接固定攝像頭。

車載攝像頭在制造工藝及可靠性要求方面也要高于工業攝像頭和商用攝像頭，由于汽車需長期工作在惡劣環境中，車載攝像頭需要在高低溫環境、強振動、高濕熱等復雜工況環境下穩定工作，對于工藝制造方面的要求主要如表1所示。

表1 車載攝像頭的工藝需求

目前車上搭載的車載攝像頭根據安裝位置主要分為為前視攝像頭、環視攝像頭、后視攝像頭、側視攝像頭以及內置攝像頭五種類別。

前視攝像頭：主要安裝在前擋風玻璃上，用于實現行車的視覺感知及識別功能，根據功能又可以分為前視主攝像頭、前視窄角攝像頭和前視廣角攝像頭(圖2)。

圖2 特斯拉前視攝像頭模組

前視主攝像頭：該攝像頭在L2的ADAS系統中作為主攝像頭使用。其視場角一般為30°、50°、60°、100°、120°，檢測距離一般為150～170m，攝像頭輸出的格式為RCCB或RCCC。

前視廣角攝像頭：該攝像頭的作用主要是識別距離較近的物體，主要用于城市道路工況、低速行駛等場景，其視場角在120°～150°，檢測距離在50m左右。在后續8MP鏡頭大規模裝車后，無需該攝像頭。

前視窄角攝像頭：該攝像頭的主要作用是進行紅綠燈、行人等目標的識別，一般選用窄角鏡頭，可選擇30°～40°左右的鏡頭。并且該鏡頭的像素一般和前視主攝像頭的鏡頭像素一致，該攝像頭采用窄角度，具有更高的像素密度和更遠的檢測距離，一般可達250m甚至可探測更遠的距離。

在上了8MP攝像頭后，前視主攝像頭的FOV可達120°，該攝像頭可能就不需要了。檢測距離在60m左右。

環視攝像頭：主要安裝在車身四周，一般使用4～8個攝像頭，可分為前向魚眼攝像頭/左側魚眼攝像頭/右側魚眼攝像頭/后向魚眼攝像頭。用于全景環視功能的顯示，以及融合泊車功能的視覺感知及目標檢測；常用色彩矩陣為RGGB，因為有色彩還原的需求。

后視攝像頭：一般安裝在后備箱上，主要是實現泊車輔助。視場角在120～140°之間，探測距離大概50m。

側前視攝像頭：安裝在B柱或者車輛后視鏡處，該攝像頭的視場角一般為90°～100°，探測距離大概在80m左右，這個攝像頭的主要作用是檢測側向車輛及自行車。

側后視攝像頭：一般安裝在車輛前翼子板處，該攝像頭的視場角一般為90°左右，探測距離也在80m左右，主要用于車輛變道、匯入其他道路等場景應用。

內置攝像頭：主要用于監測司機狀態，實現疲勞提醒等功能。

其中，前視攝像頭價格相對較高，目前市場價格處在300～500元水平；其余攝像頭價格在150～200元左右。

二、目前典型的車載攝像頭搭載方案優劣比較

1.特斯拉——純視覺感知的深度擁護者

特斯拉的Autopilot系統搭載了8個攝像頭，其中前方攝像頭模組共由3個攝像頭組成(圖3)，這3個攝像頭都是基于2015年安森美半導體公司發布的120萬像素圖像傳感器開發的，其配備了3個AR0136A上的CMOS圖像傳感器，像素大小為3.75μm，分辨率為1280×960(1.2MP)。主視野攝像頭：視野能覆蓋大部分交通場景。魚眼鏡頭：視野達120°的魚眼鏡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。長焦距鏡頭：視野相對較窄，適用于高速行駛的交通場景，并可以清晰拍攝遠達250m的物體。

圖3 特斯拉前置攝像頭模組

前方側視攝像頭：視場角為90°，前方側視攝像頭分別位于特斯拉兩側的B柱上(圖4)，最大探測距離為80m。其能夠探測到高速公路上突然并入當前車道的車輛，以及在進入視野受限的交叉路口時進行探測。

圖4 特斯拉前方側視攝像頭

側方后視攝像頭：最大探測距離為100m，能監測車輛兩側的后方盲區，在變道和匯入高速公路時起著重要作用(圖5)。

圖5 特斯拉側方后視攝像頭

后視攝像頭：探測距離為50m，主要進行泊車輔助(圖6)。

圖6 特斯拉后視攝像頭

2.小鵬P7——搭載多攝像頭的車型代表

小鵬P7搭載了14個攝像頭，我們選擇其中最重要的幾個攝像頭講解。其中前方攝像頭模組共由3個攝像頭組成，這3個攝像頭都是200萬像素，幀率為15/60f/s(圖7)。其中分為遠距感知攝像頭：視場角為28°，是窄視角的前向攝像頭，可探測150m以上的路面情況。中距感知攝像頭：視場角為52°，是主要的前向攝像頭，可探測30～70m的范圍。遠距離感知攝像頭：視場角為100°，可探測40m的范圍。

圖7 小鵬P7前攝像頭模組

小鵬P7的側前視攝像頭安裝在后視鏡處(圖8)，視場角為100°，100萬像素，分辨率是457X237，幀率為30f/s，用于防加塞和側向車輛的檢測。

圖8 小鵬P7側視攝像頭

小鵬P7的后視側邊攝像頭安裝在翼子板上(圖9)，參數與側視攝像頭差不多，用于ALC(自動變道)、開門預警和盲區檢測。

圖9 小鵬P7后視側邊攝像頭

小鵬P7的后視攝像頭安裝在后備箱處(圖10)，視場角為52°，200萬像素，幀率為30f/s，用于ALC、盲區檢測和追尾預警。

圖10 小鵬P7后攝像頭

3.奔馳S級——傳統主機廠方案的代表

奔馳S級搭載了7個攝像頭，其中前方攝像頭模組共由2個雙目立體攝像頭組成，這2個攝像頭的像素均為1.3MP，其鏡頭光軸之間的距離大概在22～25cm左右，探測的有效距離大約為120m，攝像頭的視場角大約在50°左右，刷新頻率在10Hz左右。供應商為大陸汽車電子。該雙目攝像頭可完成3D立體識別功能，可以完成目標跟蹤、位置預測并且配合毫米波雷達實現目標速度的檢測(圖11)。

圖11 奔馳S級前雙目攝像頭模組

奔馳S級在保險杠處安裝了一個攝像頭，該攝像頭是前向魚眼攝像頭，視場角約為120°，配合其他視像頭實現360°環視功能(圖12)。

圖12 奔馳S級前魚眼攝像頭

奔馳S級在兩個后視鏡處各安裝了一個攝像頭，該攝像頭是側向魚眼攝像頭，視場角約為120°，配合其他視像頭實現360°環視功能(圖13)。

圖13 奔馳S級側視魚眼攝像頭

奔馳S級的的后視攝像頭安裝在后備箱處，視場角約為120°，200萬像素，配合其他視像頭實現360°環視功能(圖14)。

圖14 奔馳S級后視魚眼攝像頭

不同車企攝像頭安裝方案對比如表2所示。從方案中我們可以看到，特斯拉的8個攝像頭均與行車系統有關聯，這與其一直宣傳的不依靠激光雷達純視覺的自動駕駛方案是有較大關聯的，特斯拉的這一套方案的最大優勢就是：高性價比。特斯拉用了成本非常低的自研1.2MP攝像機就實現了L2+級別的自動駕駛。小鵬P7使用了多個攝像頭，這一套方案的最大優勢就是：可拓展性較強。前期方案在設計時需要提高硬件成本，但是在后期OTA升級后，其自動駕駛功能具有非常好的兼容性和可拓展性。通過這套傳感器模型，小鵬實現了具有較好體驗的L2+級別的自動駕駛功能，包括小鵬極具特色的高速自主導航駕駛(NGP)和停車場記憶泊車功能。奔馳S級是傳統主機廠方案的代表，雙目立體攝像頭方案是奔馳S級最大的優勢。相比于單目攝像頭，雙目攝像頭可以計算當前檢測目標在XYZ坐標下的運動情況，判斷檢測目標的姿態及目標類型，奔馳在L2級別的ADAS功能的體驗效果也比另外兩家好一些。

表2 方案對比

對上文中已經量產車型的攝像頭方案分析，我們發現其都是使用中低像素攝像頭來實現自動駕駛功能，隨著技術的發展與更新，未來更多量產車型及自動駕駛解決方案會使用800萬像素攝像頭。（未完待續）