各類攝像頭在L3級(jí)自動(dòng)駕駛視覺(jué)感知中的應(yīng)用

李建偉

（曼德電子電器有限公司保定徐水電氣系統(tǒng)分公司，河北 保定 071000）

1 概述

說(shuō)起智能無(wú)人駕駛，其實(shí)就是汽車要具備開(kāi)車人所具備的所有功能，甚至更高的感知能力。

提到感知，首先就是視覺(jué)感知，市面上無(wú)人駕駛的視覺(jué)感知技術(shù)大致可以分為單目攝像頭、雙目攝像頭以及多目攝像頭 （圖1）。由于畫質(zhì)、像素、感光元件尺寸三者的關(guān)系，再加上移動(dòng)處理器的計(jì)算量有限，攝像頭的分辨率無(wú)法達(dá)到較高水平，百萬(wàn)級(jí)像素在車載攝像頭領(lǐng)域已經(jīng)是較高水平了，同時(shí)，由于成本限制，鏡頭加工精度、鍍膜水平等與消費(fèi)級(jí)單反相機(jī)存在較大差距，因此，成像品質(zhì)又被大大壓縮。熟悉攝影的朋友應(yīng)該知道，光學(xué)變焦的鏡頭可以彌補(bǔ)傳感器分辨率不足的劣勢(shì)，那么，汽車上為什么不用可以光學(xué)變焦的攝像頭呢？原因很簡(jiǎn)單，在高振動(dòng)的環(huán)境中，變焦鏡頭的穩(wěn)定性不足，其次，變焦的過(guò)程中，焦段變長(zhǎng)，就會(huì)造成視角變小，攝像頭在長(zhǎng)焦端時(shí)，雖然可以采集遠(yuǎn)處信息，但近距離、不在長(zhǎng)焦視角內(nèi)的信息就無(wú)法采集，同時(shí)由于鏡頭焦平面變化，可能對(duì)近距離物體造成虛化，造成識(shí)別效率降低。即使以上問(wèn)題都可以在一定條件下克服，那么，一輛正常的智能無(wú)人駕駛汽車什么時(shí)候該進(jìn)行變焦呢？這一邏輯算法也是極難克服的，同時(shí)，對(duì)處理器的計(jì)算量也造成了不小的挑戰(zhàn)，需要不斷迭代才能實(shí)現(xiàn)。因此車載攝像頭一般都會(huì)采用定焦設(shè)計(jì)。

圖1 無(wú)人駕駛視覺(jué)感知攝像頭

2 單目攝像頭

單目攝像頭作為視覺(jué)感知的鼻祖，憑借成本低，使用簡(jiǎn)單，空間位置要求低，在智能無(wú)人駕駛領(lǐng)域的比重越來(lái)越大。所謂單目攝像頭，即利用一個(gè)攝像頭模組進(jìn)行圖像采集，可視角度大約在50°～110°之間，單目攝像頭可以對(duì)車道線、紅綠燈、路標(biāo)、行人、車輛等物體進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別出已經(jīng)標(biāo)記過(guò)的物體；識(shí)別率一般可以達(dá)到90%以上，甚至達(dá)到99%。提到比對(duì)識(shí)別，那么單目攝像頭必須集成或連接到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，且數(shù)據(jù)樣本足夠大，才能應(yīng)對(duì)各種各樣的路況信息。對(duì)未標(biāo)記過(guò)的物體，一般會(huì)進(jìn)行忽略，這就會(huì)造成非典型的物體無(wú)法識(shí)別，比如，摔倒的人，蹲下的人，一些廠家會(huì)對(duì)這些非典型的情況進(jìn)行學(xué)習(xí)，但是，樣本過(guò)于龐大，還需要時(shí)間進(jìn)行迭代。由于單目攝像機(jī)的分辨率原因，有效識(shí)別距離一般只能達(dá)到80～120 m左右，在車輛高速行駛時(shí)，遠(yuǎn)處物體不能有效識(shí)別，就會(huì)造成安全隱患。圖2為單目攝像頭采集識(shí)別圖示。

圖2 單目攝像頭采集識(shí)別處理示意圖

3 多目攝像頭

多目攝像頭可以克服單目攝像頭存在的問(wèn)題，典型的應(yīng)用是Tesla，采用廣角、中等焦距、長(zhǎng)焦攝像頭組成陣列，廣角攝像頭視角可以達(dá)到150°左右，負(fù)責(zé)識(shí)別近處大范圍物體，由于識(shí)別距離近，并不需要高分辨率的攝像頭。而中等焦段攝像頭視角為50°左右，負(fù)責(zé)識(shí)別車道線、車輛、行人、紅綠燈、綠標(biāo)等信息。長(zhǎng)焦攝像頭的視角只有35°左右，但識(shí)別距離卻能達(dá)到200～250 m，用來(lái)識(shí)別距離較遠(yuǎn)的行人、車輛、路標(biāo)指示牌等信息，通過(guò)多種攝像頭的組合，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，得到變焦鏡頭的優(yōu)勢(shì)。在智能無(wú)人駕駛多傳感器融合的趨勢(shì)下，多目攝像頭搭配激光雷達(dá)或毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)不言而喻，在克服成本同時(shí)，軟件生態(tài)成熟后，多目攝像頭的競(jìng)爭(zhēng)力一定會(huì)大增。

4 雙目攝像頭

雙目攝像頭走的是另外一條路線，立體視覺(jué)，理念更接近于人眼，通過(guò)兩個(gè)攝像頭采集的信息，合成到同一個(gè)坐標(biāo)系中，會(huì)產(chǎn)生坐標(biāo)差，不同距離的物體視差不同，這樣就形成了立體視覺(jué)，通過(guò)立體成像，在不依靠數(shù)據(jù)庫(kù)的情況下依然可以檢測(cè)障礙物。雙目攝像頭集成了攝像頭和激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，既可以識(shí)別障礙物，又可對(duì)物體距離進(jìn)行較為準(zhǔn)確的識(shí)別，識(shí)別精度可以達(dá)到厘米級(jí)別，這樣的精度在L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)已經(jīng)夠用了，畢竟人眼可達(dá)不到這樣的精度。雙目攝像頭的精度取決于攝像頭之間的距離，又稱基線長(zhǎng)度，基線越長(zhǎng)，對(duì)于遠(yuǎn)處的物體識(shí)別效果越好，但又與視角有關(guān)，只能識(shí)別兩攝像頭視角重合的區(qū)間，基線達(dá)到一定距離后，對(duì)近處的物體識(shí)別又會(huì)造成影響，現(xiàn)階段市面上雙目攝像頭的基線長(zhǎng)度一般為120 mm左右，雖然雙目攝像頭有立體視覺(jué)和測(cè)距的優(yōu)勢(shì)，但并沒(méi)有克服攝像頭分辨率、視角等攝像頭自身的缺陷。圖3為雙目攝像頭深度檢測(cè)示意圖。

圖3 雙目攝像頭深度檢測(cè)示意圖

5 多傳感器融合

同時(shí)，還有一大技術(shù)難題擺在面前，那就是環(huán)境光線對(duì)攝像頭的影響，在專業(yè)相機(jī)領(lǐng)域，佳能、尼康、適馬等廠商，通過(guò)鍍膜工藝、增加螢石透鏡等技術(shù)改善攝像頭眩光，但升本較高，難以普及到車載攝像頭領(lǐng)域，現(xiàn)階段的方法是通過(guò)多傳感器融合，增加遮光罩、調(diào)整攝像頭角度來(lái)避免環(huán)境光線對(duì)攝像頭造成的影響。同時(shí)，多傳感器融合是智能無(wú)人駕駛的趨勢(shì)，這樣，雙目攝像頭的優(yōu)勢(shì)就不那么明顯，而單目攝像頭或多目攝像頭搭配激光雷達(dá)或毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)不言而喻，在防止眩光方面，由于焦距不同，長(zhǎng)焦攝像頭搭配遮光罩使用時(shí)，產(chǎn)生眩光的幾率會(huì)更小，同時(shí)與激光雷達(dá)或毫米波雷達(dá)組成多傳感器融合方案，在感知方面做到冗余，在攝像頭失效后，其他傳感器依舊可以識(shí)別到障礙物。那么，雙目攝像頭就沒(méi)有用武之地了嗎？答案是否定的，畢竟與十幾萬(wàn)的激光雷達(dá)比起來(lái)，成本較低同樣是優(yōu)勢(shì)，在成本較低的低速園區(qū)無(wú)人駕駛車、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著，或許不久的將來(lái)，軟件、硬件的迭代會(huì)發(fā)揮雙目攝像頭更大的優(yōu)勢(shì)。